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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeuge, die leichter als Luft sind, im Allgemeinen.
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In einer Form betrifft die Erfindung eine Auftriebsvorrichtung, wie etwa ein Luftschiff in Gestalt eines ringförmigen Tragprofils mit begleitenden strukturellen, Vortriebs- und aerodynamischen Merkmalen, um eine derartige Vorrichtung für einen Betrieb bei relativ hoher Geschwindigkeit, besserer Manövrierbarkeit und sicherem Betrieb zu verbessern.
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Bei einem bestimmten Aspekt ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung als ein relativ kleines „Drohnen“-Luftfahrzeug geeignet.
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Es ist zweckmäßig, die Erfindung im Folgenden mit Bezug auf ein Luftschiff zu beschreiben, wobei es sich allerdings versteht, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Verwendung beschränkt ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Über diese gesamte Spezifikation hinweg kann die Verwendung des Wortes „Erfinder“ in der Singularform als Bezug auf einen (Singular) Erfinder oder mehr als einen Erfinder (Plural) der vorliegenden Erfindung angesehen sein.
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Es versteht sich, dass jegliche Erörterung von Dokumenten, Vorrichtungen, Handlungen oder Kenntnissen in dieser Spezifikation enthalten ist zum Erläutern des Kontexts der vorliegenden Erfindung. Ferner ergibt sich die Erörterung in dieser Spezifikation durch die Erkenntnis des Erfinders und/oder die Identifikation gewisser technisch verwandter Probleme durch den Erfinder. Darüber hinaus ist jegliche Erörterung von Material, wie etwa Dokumenten, Vorrichtungen, Handlungen oder Kenntnissen in dieser Spezifikation enthalten, um den Kontext der Erfindung hinsichtlich der Kenntnisse und der Erfahrung des Erfinders zu erklären, und demgemäß sollte jegliche derartige Erörterung nicht als eine Einlassung aufgefasst werden, dass irgendwelches des Materials einen Teil der Grundlage des Stands der Technik oder üblicher allgemeiner Kenntnisse des Fachgebiets in Australien oder sonstwo an oder vor dem Prioritätsdatum der Offenbarung und Ansprüche hierin bildet.
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Obwohl anfangs vielversprechend, sind Luftschiffe nicht in der Lage gewesen, außerhalb von Nischenbereichen, wie etwa Tourismus, mit modernen Fahrzeugen, die schwerer als Luft sind, mitzuhalten. Dies liegt an einer Anzahl erheblicher Nachteile. Die Energiekosten zum Bewegen eines großen Körpers durch die Luft machen sie für Frachttransport unwirtschaftlich; gleichzeitig machen sie die große Masse und relativ geringe Leistung (relativ zu ihrer Größe) sowohl in der Luft als auch am Boden schwer manövrierbar, was zu häufigen Unfällen führt. Schließlich führten ihre große Größe und begrenzte Lasttragfähigkeit historisch zu einer relativ zerbrechlichen Konstruktion, die sie sehr anfällig für Beschädigung durch Wind und Sturm machte.
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Es gibt allerdings weiterhin aktive Forschung auf dem Gebiet von Luftschiffen und deren Verwendung wird weiterhin für manche Anwendungen in Betracht gezogen. Sie können eine Rolle als Plattformen in großer Höhe spielen und die Tatsache, dass sie „freien Auftrieb“ liefern, zieht weiterhin Erfinder an, die nach neuartigem Frachttransport suchen. Ferner macht sie ihre große Größe, die in den meisten Fällen ein Nachteil ist, ideal zum Betrieb mit Solarstrom.
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Getrennt davon gab es insbesondere in den späten 1950ern und in den 1960ern signifikante Forschung für die Verwendung ringförmiger Tragprofile (oder ‘ducted fan flying platforms’ – fliegende Plattformen mit Mantelpropeller), insbesondere für die Verwendung in Luftfahrzeugen zum vertikalen Starten und Landen (vertical take off and landing – VTOL) wie dem französischen „Coléoptère“. Allerdings bedeuteten das Gewicht des Rings, die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs und die Schwierigkeit beim Manövrieren der Struktur, dass sie sich trotz vielversprechendem Beginn im Vergleich mit Helikoptern für VTOL-Flug, die schwerer als Luft sind, als nichtpraktikabel erwiesen.
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Luftschiffe mit Innenkanälen
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Eine Menge von Luftschiffen versuchte, die Probleme von Langsamkeit und Manövrierbarkeit durch Verwendung von Innenkanälen innerhalb des Luftschiffs zu überwinden, wie etwa:
Jordan (
US2475786 , 1949) schlägt eine lange, dünne Röhre innerhalb eines konventionellen Luftschiffs vor. Die Röhre umfasst aufeinanderfolgende „Venturi-Röhrensegmente“, innerhalb derer mehrere Paare von gegenläufig rotierenden Propellern laufen. Zusätzlich sieht Jordan bug- und heckwärts „winkeleinstellbare Röhren“-Segmente zum Lenken und Steuern vor. Allerdings weist eine Abfolge von „Venturi-Röhren“, statt einen geringeren Luftwiderstand als eine gerade Röhre aufzuweisen, tatsächlich einen höheren Luftwiderstand auf und die zahllosen gegenläufig rotierenden Propeller werden gleichermaßen als sehr ineffizient angesehen. Insgesamt würde die dünne Mittelröhre nichtpraktikabel sein, einen sehr hohen Luftwiderstand aufweisen und würde sehr stark sein müssen, um hinreichend Schub zu liefern, um das Luftschiff zu bewegen. Ferner würde die heckwärtige „einstellbare Röhre“ relativ schwer und gewichtig zu konstruieren sein, wobei die vordere Einlassröhre wenig Wirkung zeigen würde, da man nicht mittels Ansaugung lenken kann.
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Gembe (
US3185411 , 1965) offenbart ein starres elliptisches Luftschiff, das (von vorne gesehen) von einer rechteckigen Mittelsektion geteilt ist, in dem sich eine dünne Durchleitung von vorne nach hinten zieht. Allerdings ist die Gesamtaerodynamik des „Hochgeschwindigkeitsluftschiffs“ nicht optimiert. Gembe‘s Offenbarung betrifft ein großes „elliptisches“ Luftschiff von ungewöhnlicher Konstruktion, insbesondere in den Dimensionen und mit einem Sondergas-Auftriebssystem. Die lange dünne Innendurchleitung wird nicht als aerodynamisch angesehen, noch gibt es eine Berücksichtigung der Gesamtstromlinienförmigkeit des Luftschiffs und der Durchleitung.
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Takahashi et al, (
US5071090 , 1991) offenbaren ein Luftschiff mit einer dünnen Durchleitung, die von vorne nach hinten verläuft, mit einer Anzahl von Seitentunneln, die von der zentralen Durchleitung weglaufen, die zur Steuerung von Feinmanövern verwendet werden. Allerdings wird, ähnlich zu Jordan (
’786 ) und Gembe (
’411 ), kein Versuch hinsichtlich der Gesamtaerodynamikeffizienz unternommen und die nicht-stromlinienförmige Gestalt dieser Durchleitungen würde das Durchleiten von Luft durch diese sehr ineffizient machen. Im Allgemeinen wird das Platzieren von Triebwerken in langen dünnen Durchleitungen nicht als effizient angesehen.
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Campbell (
US5645248 , 1997) schlägt eine Sphäre mit einem großen Innentunnel vor, in dem eine sechseckige Einheit montiert ist, die einen Propeller und Steuerflächen enthält, mit dem Ziel, ein manövrierbares, strömungswiderstandsarmes Luftschiff zu schaffen, das zum Aushalten bei Starkwind geeignet ist. Trotz Campbell‘s Anstrengungen zum Minimieren des Strömungswiderstands, ist seine Sphäre eine Gestalt mit hohem intrinsischen Strömungswiderstand, wobei signifikanter turbulenter Strom (und damit einhergehender Strömungswiderstand) unvermeidbar ist. Campbell‘s Erfindung betrifft ausschließlich ein sphärisches Luftschiff und verwendet externe Triebwerke zum Manövrieren.
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Grimm (
WO 2001072588 , 2001) offenbart ein weiteres „düsenförmiges“ Luftschiff mit einer zentralen Durchleitung. In vielerlei Hinsicht wird das Design als nichtpraktikabel angesehen, da Luftstromablösung oder die Änderungen der Gesamtgestalt, die für verschiedene Betriebsregime erforderlich sind, nicht berücksichtigt werden.
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Drucker (
US6766982 , 2004) offenbart ein Luftschiff mit einer Durchleitung von vorne bis hinten (wie Campbell
’248 ), in der eine Windturbine zur Energieerzeugung platziert ist. Drucker offenbart das Erzeugen von Energie durch Schwimmen des Fahrzeugs mit dem Wind, wobei ein derartiger Mechanismus allerdings nicht möglich ist, da ein antriebsloses Luftschiff mit derselben Geschwindigkeit wie der Wind schwimmen wird und da es keinen Differenzluftstrom geben wird.
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Motts (
US 4,967,983 , 1990) offenbart ein weiteres Luftschiff mit einer relativ komplexen Anordnung von Innenkegeln und Streben und dem Merkmal eines „elektrokinetischen Antriebs“. Es wird nicht als praktikabel baubar angesehen.
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Aerodynamische Effizienz
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Der Erfinder hat realisiert, dass ein Grund für die Ineffizienz von Luftschiffen als praktikable Luftfahrzeuge in dem sehr hohen Strömungswiderstand besteht, der durch Bewegen einer großen Ovaloidgestalt durch die Luft verursacht wird. Ein Teil dieses Strömungswiderstands wird durch vorstehende Strukturen oder Oberflächenrauigkeit verursacht, während eine signifikante Quelle an Strömungswiderstand, insbesondere in kleineren Luftschiffen, durch den Formströmungswiderstand oder die turbulente Nachströmung hinter dem Luftschiff verursacht wird, welche der Gestalt des Fahrzeugs intrinsisch ist.
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Eine Menge von Erfindungen hat versucht, den Strömungswiderstand durch aktive Luftstromsteuerung zu verringern, um einen laminaren Luftstrom länger aufrecht zu erhalten und das Risiko einer Luftstromablösung zu beseitigen; z.B. durch Luftansaugung in einem Heck des Fahrzeugs, wobei es allerdings signifikante praktische Schwierigkeiten dabei gibt, dies in einem traditionellen Luftschiff zu versuchen, da es erhebliche Mengen an Verrohrung und Pumpen erfordern kann. (z.B. Onda
US6305641 , der am Heck über eine Durchleitung Luft ansaugt, Colting
US6,966,523 , der versucht, einen Heckpropeller zum Steuern eines Luftstroms um ein sphärisches Schiff herum zu verwenden, oder Herlik in
US8052082 , der Luft durch die Heckoberfläche des Schiffs mittels eines Systems von Einlässen ansaugt). Eine all diesen Systemen gemeinsame Schwierigkeit besteht darin, dass das Gewicht der Durchleitungen, Rohre und insbesondere der benötigten leistungsstarken Triebwerke es sehr schwierig macht, solche Systeme in praktischen Luftschiffen zu bauen.
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Windturbinen
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Der Erfinder hat ebenfalls realisiert, dass sich, im Gegensatz zu angetriebenen Luftschiffen, schwebend angekettete Windturbinen mit Innendurchleitungen als recht praktikabel erwiesen haben und sich zunehmend in aktiver Verwendung zur Energieerzeugung befinden. Ein gutes Beispiel für den Stand der Technik ist Amick (
US2008/0048453 , 2008), der einen schwebenden Trichter offenbart, in dem eine Windturbine zur Energieerzeugung platziert ist.
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Da die schwebende Windturbine angekettet ist, ist Stromlinienförmigmachen der Ummantelung weit weniger wichtig als die Fähigkeit, Luft in die zentralen Blätter zu trichtern, und trotz der Anstrengungen des Stromlinienförmigmachens wird die gedrungene Trichtergestalt der Ummantelung wahrscheinlich signifikanten turbulenten Strömungswiderstand hinter sich zeigen. Indes ist diese Gestalt für den Zweck optimiert, positiven Auftrieb für die Turbine zu liefern und den Luftstrom zu konzentrieren und, obgleich so mancher Versuch des Stromlinienförmigmachens vorgenommen wird, würde die Gesamtgestalt der Vorrichtung bei Starkwind signifikanten Strömungswiderstand aufweisen, aufgrund der steilen Winkel und der gerundeten Konturen des Hecks der Vorrichtung.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen eines verbesserten Luftschiffs.
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Ein weiteres Ziel der hier beschriebenen Ausführungsformen besteht darin, mindestens einen der oben angeführten Nachteile von Systemen, die dem Stand der Technik entsprechen, zu überwinden oder zu entschärfen oder mindestens eine nützliche Alternative zu dem Stand der Technik entsprechenden Systemen bereitzustellen.
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In einem ersten Aspekt von hier beschriebenen Ausführungsformen ist ein Fahrzeug, das leichter als Luft ist, vorgesehen, das in der Gestalt eines ringförmigen Tragprofils gebaut ist, wobei der Querschnitt eine abgerundete Vorderkante und eine relativ scharfe Hinterkante aufweist. Innerhalb der zentralen Durchleitung dieses Tragprofils ist ein optimiertes Vortriebssystem platziert, das sich den erhöhten Luftstrom und/oder die „Mantelpropeller“-Topologie der Gesamtgestalt der Luftschiffeinhüllung zu Nutze machen kann. Die zentrale Position des Triebwerks weist sowohl strukturelle als auch Sicherheitsvorteile auf. Ferner kann der Auslassluftstrom gesteuert werden, um „Vektorschub“ zu erzeugen, um das Luftschiff, optional zusammen mit anderen Steuerflächen, zu manövrieren.
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Bei einem weiteren Aspekt von hier beschriebenen Ausführungsformen ist ein Luftschiff vorgesehen, das einen Körperanteil und einen Vortriebsmechanismus aufweist, wobei der Körperanteil eine relativ ringförmige Durchleitung umfasst, durch die Luft strömen kann, und ferner einen relativ tragprofilförmigen Querschnitt umfasst, und wobei der Vortriebsmechanismus innerhalb der Durchleitung vorgesehen ist.
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Andere Aspekte und bevorzugte Formen sind in dieser Spezifikation offenbart und/oder in den angehängten Ansprüchen definiert, wobei diese einen Teil der Beschreibung der Erfindung bilden.
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Grundsätzlich beruhen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Realisierung, dass, obwohl Manches aus dem Stande der Technik die Verwendung einer Innenröhre berücksichtigt, der derartige Stand der Technik den tatsächlichen Luftstrom durch das und um das herum, was einfach ein großer Mantelpropeller ist, nicht berücksichtigt. Insbesondere wurde den Vorteilen des Verwendens eines Tragprofilquerschnitts um einen derartigen Propeller herum wenig Berücksichtigung zuteil. Der Erfinder hat realisiert, dass Mantelpropeller höchst effizient arbeiten, wenn sie in einem Tragprofilquerschnitt ummantelt sind (damit sei gesagt, dass eine glatte Gestalt, die laminaren Strom ermutigt, eine irgendwie tränentropfenförmige Gestalt mit einem allgemein abgerundeten Vorderende und einem sich verjüngenden Hinterende aufweist – einen klassischen „Luftfahrzeugflügel“). Ohne diese Gestalt wird wahrscheinlich ein signifikant höherer Strömungswiderstand sowohl innerhalb der Durchleitung als auch außerhalb auftreten, weitestgehend aufgrund von Luftstromturbulenz. Ferner scheint es im Stand der Technik keine Berücksichtigung des Größenverhältnisses zwischen dem Einlass, der Rotorscheibe und dem Auslass und der zum Optimieren der Fahrzeuge verschiedener Größen für verschiedene Umgebungen erforderlichen Differenzen gegeben zu haben.
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In Anbetracht dessen, hat der Erfinder des Vorliegenden realisiert, dass ein Luftschiff bereitgestellt werden kann, das einen Körperanteil mit einer relativ ringförmigen Durchleitung, durch die Luft strömen kann, und einem relativ tragprofilförmigen Querschnitt aufweist und einen Vortriebsmechanismus innerhalb der Durchleitung vorsieht.
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Vorteile, die von der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, umfassen die Folgenden:
Verringerter Strömungswiderstand aufgrund der ringförmigen Gestalt, insbesondere bei kleineren Luftschiffen.
- • Verbesserte Triebwerkseffizienz
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- • Instrumentenpakete oder sogar Mannschaftskabinen können in die Krümmung der Vorderkante des Rings einbezogen sein, die exzellente Voraussicht liefern können (im Gegensatz zu traditionellen Designs, bei denen sie hervorstehen müssen, um ein einigermaßen anständiges Sichtfeld zu liefern).
- • Das Luftschiff kann leicht so gebaut werden, Vektorschub zu verwenden, da der Abluftluftstrom entweder mit Innenluftklappen, Lenkpropellern oder -strahlen, die in der Hinterkante eingebettet sein können, oder (insbesondere bei kleinen Drohnen) durch Gesamtdeformation der Hinterkante des Rings modifiziert werden kann.
- • Einfassen der Triebwerke macht das Luftschiff in jeder Hinsicht signifikant sicherer, da es keine freiliegenden Propeller gibt. Zusätzlich wird Wartung während des Fluges in großen Luftschiffen sicherer, da die Triebwerke leicht und sicher über den zentralen Tunnel erreicht werden.
- • Das Geräusch der Triebwerke ist signifikant verringert, da die Einhüllung das Triebwerk einfasst.
- • Die Manövrierbarkeit des Luftschiffs wird dadurch verbessert, dass sich das Gewicht des Triebwerks dichter am Auftriebsmittelpunkt befindet, was es dem Luftschiff leichter macht, sich zu drehen, sowie den achsenfernen Schub verhindert, der dazu führt, dass sich traditionelle Luftschiffe bei Leistung aufbäumen.
- • Das Mantelpropellerlayout mit dessen großem Einlass bringt zusätzliche Vorteile mit sich, da es ein großes Luftvolumen konzentriert, was es dem Triebwerk (wie etwa einem Propeller) ermöglicht, so zu arbeiten, als sei es proportional größer. Dies bringt bei geringen Flughöhen (ein großer langsamer Propeller ist, wenn ansonsten alles gleich bleibt, effizienter als ein kleiner schneller Propeller) Effizienzen mit sich und kann auch die Verwendung von luftatmenden Triebwerken, wie etwa einem traditionellen Verbrennungsmotor, bei großen Flughöhen ermöglichen, wo die dünne Luft normalerweise einen Betrieb schwierig machen würde.
- • Das größere Oberflächengebiet des Luftschiffs (verglichen mit einem normalen Luftschiff äquivalenten Auftriebs) ergibt eine größere Oberfläche zum Einsammeln von Solarstrom.
- • Wenn es als ein Drohnen-Luftfahrzeug verwendet wird, ist das Luftschiff relativ neutral schwebend und im Allgemeinen „ausfallsicher“ für den Fall, dass ein Steuerungsverlust auftritt. Anders als bei Rotorfahrzeugen ist es unwahrscheinlich, dass ein Zusammenstoß des Luftschiffs mit Menschen Verletzungen verursacht, da die Vorrichtung im leistungslosen Zustand effektiv ein großer Ballon ist
- • Der Niederdruckauslass erlaubt eine aktive Grenzschichtsteuerung, indem Kanäle durch den Körper des Luftschiffs vom Auslasskanal zur Außenhaut geführt werden, um kleine Luftmengen anzusaugen. Obgleich es die Gesamtleistung herabsetzt, kann es unter gewissen Umständen sowohl den Haut- als auch den Form-Strömungswiderstand verringern, um eine Gesamtenergieeinsparung zu erzielen.
- • Neue und neuartige Manöver sind im Vergleich zu einem traditionellen Luftschiff möglich. Da sich das Gewicht des Triebwerks dicht am Auftriebsmittelpunkt befindet, kann das Luftschiff Loopings ausführen und ist allgemein besser manövrierbar, da es ein geringeres Trägheitsmoment aufweist als ein traditionelles Luftschiff mit externen Triebwerken.
- • Wenn es als eine kleine Drohne verwendet wird, kann sich das Luftschiff durch leichtes Ansaugen an flachen Oberflächen anheften, wie etwa Wänden oder einer Decke, was es ihm ermöglicht, mit geringem Leistungsaufwand eine stabile Position (z.B. als eine Kameraplattform) zu halten.
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Über die ganze Spezifikation hinweg bezieht sich das Wort „Luftschiff“ auf das, was als eine Vorrichtung, die „leichter als Luft ist“ bekannt ist, die ausgelegt ist zum Fahren oder Manövrieren in Luft. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein Luftfahrzeug sein, das leichter als Luft ist, das Vortriebs- und Lenksysteme aufweist, und/oder eine Vorrichtung, die betreibbar ist zum Bewegen oder Fahren in Luft. In einer Form kann das Luftschiff gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine röhrenähnlich geformte oder ringförmig geformte Vorrichtung sein, die dafür gemacht sein kann, in Luft zu fahren.
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Über die gesamte Spezifikation hinweg bezieht sich das Wort „Tragprofil“ auf ein Objekt mit „geringem Strömungswiderstand“ mit einem Design, das das Minimieren des Strömungswiderstands und/oder eine glatte Gestalt, die laminaren Luftstrom begünstigt und/oder Turbulenzen verringert, zum Ziel hat. Ein Beispiel für ein Tragprofil beinhaltet unter anderem ein Objekt, das Merkmale, wie etwa eine abgerundete Vorderkante und eine sich verjüngende Hinterkante, aufweisen wird und das relativ glatte Krümmungen zum Minimieren des Strömungswiderstands aufweisen wird.
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Der weitere Anwendungsumfang von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachstehend aufgeführten ausführlichen Beschreibung deutlich werden. Es versteht sich allerdings, dass die ausführliche Beschreibung und spezifische Beispiele, obgleich sie bevorzugte Erfindungsausführungsformen angeben, lediglich Veranschaulichungszwecken dienen, da hier verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Wesens und des Schutzumfangs der Offenbarung Fachleuten anhand dieser ausführlichen Beschreibung deutlich werden werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Offenbarung, Objekte, Vorteile und Aspekte von bevorzugten und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung können von Fachleuten der relevanten Technik durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, die lediglich Veranschaulichungszwecken dienen und somit die Offenbarung hierin nicht einschränken, besser verstanden werden, wobei in den Zeichnungen:
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1 einen Überblick über ein generisches ringförmiges Tragprofil-Luftschiff veranschaulicht
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101 ein seitliches Profil des ringförmigen Flügeldesigns veranschaulicht.
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102 das Heck des ringförmigen Flügels mit einem Innentriebwerk veranschaulicht.
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103 den ringförmigen Ring mit zwei gegenläufig rotierenden Triebwerken zum Glätten des Luftstroms veranschaulicht.
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104 einen Querschnitt des Luftschiffs veranschaulicht.
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2 ein Beispiel für eine kleine, eine mittlere und eine große Luftschiffkonfiguration veranschaulicht.
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201 ein Beispiel für eine Luftschiffkonfiguration zum Betreiben bei hohen Reynolds-Zahlen (z.B. große Luftschiffe) veranschaulicht. Unter diesen Bedingungen sind Grenzschichtablösung und turbulenter Strom ein ernsthaftes Problem für die zentrale Durchleitung, die weitestgehend parallel ist, um die Effizienz des Triebwerks aufrecht zu erhalten.
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202 ein Beispiel für ein Design für mittlere Reynolds-Zahlbereiche, wie sie bei einem großen Drohnen-Luftschiff oder einem Stratosphären-Luftschiff auftreten können, veranschaulicht. Das Mantelpropeller-Triebwerk kann die geringen Reynolds-Zahlen ausnutzen, indem der Auslassstrom aufgeweitet wird, was das Diffusionsverhältnis erhöht.
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203 ein Beispiel eines Designs für eine geringe Reynolds-Zahl, wie sie bei einer kleinen Drohne auftreten kann, veranschaulicht. In diesem Ausmaß ermöglicht ein stark aufgeweiteter Auslassstrom einen maximalen Impulsübertrag auf den Auslassluftstrom und Triebwerkeffizienzen können mehr als das Zweifache derer eines nicht umhüllten Propellers derselben Größe betragen.
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3 ein Beispiel eines kleinen relativ „nicht-starren“ Luftschiffs, das aus warmdichtenden Zellen ausgebildet ist, veranschaulicht
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301 ein Beispiel eines nicht-starren Luftschiffs veranschaulicht, das aus einer Doppelschicht aus warmdichtendem gasundurchlässigen Kunststoff (wie etwa EVOH oder metallisiertem Nylon) besteht. Die schwarzen Linien werden warm zusammengedichtet, um Gaszellen und die entlang den gepunkteten Linien (303) aus der Basis ausgeschnittene sowie oben und unten gekappte Gestalt zu erschaffen.
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Die Zellen bleiben entlang den gemeinsamen vertikalen Linien (302) verbunden. Die geschnittenen Säume (303) werden dann mit deren angrenzendem Saum verbunden und dann wird die linke Seite (304) mit der rechten Seite (305) verbunden, bevor aufgeblasen wird (mittels nicht gezeigter, in jede Zelle eingedichteter Ventile).
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4 ein Beispiel für ein relativ halbstarres Luftschiff veranschaulicht
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Ein halbstarres Design kann durch Erschaffen einer steifen Innendurchleitung (401) und anschließendem Anbringen von entweder einer Reihe von röhrenförmigen Ballons (402) oder einer einzigen großen Einhüllung (nicht gezeigt) gebaut werden, um eine halbstarre, optional expandierbare äußere Einhüllung mit einer festen stützenden Durchleitung als einem „Kiel“ des Luftschiffs zum Anbringen eines Triebwerks und von Ausrüstung zu schaffen.
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5 ein Beispiel für ein relativ starres Luftschiff veranschaulicht
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Ein starres Luftschiff kann auf konventionellem Wege mit starren Verstärkungen gebaut werden, um der Einhüllung eine definierte Gestalt zu geben. Als ein Beispiel einer solchen Konstruktion kann ein Luftschiff eine Innendurchleitung aufweisen, die aus einer Reihe von Ringen (506), die durch Längsträger verbunden sind, geschaffen wird, wobei weitere Streben (503) von den zentralen Durchleitungsringen radial zu einem Satz von Elementen (504) ausgehen, die die Gestalt der äußeren Oberfläche definieren. Zusätzliche Starrheit kann den Vorderkantenoberflächen durch Verstreben der Vorderkante mit Elementen (505), die wiederum von Trägern (507) gestützt werden, verliehen werden.
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6 ein Beispiel für eine Grenzschichtsteuerung veranschaulicht
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Das ringförmige Tragprofil-Luftschiff schluckt Luft in das Durchleitungstriebwerk (603), das sie zum Heck (604) hin auswirft, wodurch Geschwindigkeit/Impuls hinzugefügt wird. Dies verursacht einen signifikanten Druckabfall in der Region (604), was es uns ermöglicht, kleine Röhren (602) zur Außenoberfläche des Luftschiffs zu führen. Diese können eine kleine Luftmenge einziehen, um den äußeren Luftstrom (605) zu unterstützen, damit dieser am Körper des Luftschiffs „angeheftet“ bleibt, womit das Bilden einer turbulenten Nachlaufströmung verzögert oder verhindert wird und der signifikante Strömungswiderstand, den eine solche Nachlaufströmung erzeugt, vermieden wird. Obgleich aus Gründen der Klarheit nur zwei Röhren gezeigt sind, ist eine große Anzahl erwünscht und die Röhren können sich „ausspreizen“, so dass ein einziger Auslass in der Triebwerk-Nachlaufströmung einer Anzahl von kleinen Einlässen oder sogar einem kontinuierlichen Einlassring auf dem Äußeren des Luftschiffs entspricht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Luftschiffe sind in ihrer Geschwindigkeit durch die zum Überwinden des Strömungswiderstands des Luftschiffs erforderliche Leistung begrenzt. Im Allgemeinen ist die erforderliche Leistung der dritten Potenz der Geschwindigkeit mal dem Strömungswiderstand des Luftschiffs proportional. Aus diesem Grunde ist es höchst vorteilhaft, in praktikablen Luftschiffen den Strömungswiderstand so weit wie möglich zu verringern. Diese Erfindung versucht, den Strömungswiderstand signifikant zu verringern, während ebenfalls Verbesserungen der Leistung und des Handlings angeboten werden.
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Aerodynamische Effizienz
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Diese Erfindung verringert den Strömungswiderstand des Luftschiffs, indem ihm ein stromlinienförmiger Querschnitt gegeben wird, um den Strömungswiderstand zu verringern. Eine traditionelle Tragprofilgestalt mit geringem Strömungswiderstand mit einer abgerundeten Vorderkante und einer scharfen Hinterkante, wie sie bereits in der Allgemeinen Luftfahrt für Unterschallflügel, Propeller und Streben verwendet und in Katalogen, wie den verschiedenen „NACA-Tragprofilreihen“, beschrieben wird, wird verwendet. Da normalerweise keine Anforderung besteht, Auftrieb zu erzeugen, wird der Querschnitt des Rings im Allgemeinen die Gestalt eines symmetrischen Tragprofils ohne signifikanten Sturz annehmen. (Auch kann ein ringförmiges Tragprofil auf Wunsch zu einem Auftriebskörper gemacht werden, entweder durch Fliegen unter einem Winkel oder durch Variieren des Sturzes des Ober-, des Unterteils und der Seitenteile des Rings.) Ein ähnlicher Effekt könnte dadurch erzeugt werden, dass das Luftschiff zu einem langen „fliegenden Flügel“ gemacht würde, wobei eine derartige Gestalt viele Nachteile aufweisen würde (es würde ein großes Oberflächengebiet-zu-Volumen-Verhältnis aufweisen, schwer zu steuern sein und würde am Boden unbequem zu Handhaben sein).
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Durch „Wickeln“ eines solchen Flügels in ein ringförmiges Tragprofil erreichen wir allerdings viele Vorteile. Das Oberflächengebiet-zu-Volumen-Verhältnis wird verbessert (obwohl weiterhin signifikant schlechter als ein konventionelles Luftschiff) und ein Innenhohlraum wird erzeugt, der sehr zum Montieren eines Triebwerks geeignet ist.
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Die Gesamtgestalt des ringförmigen Tragprofils verringert signifikant die turbulente Nachlaufströmung des Luftschiffs, während die Gestalt der hinteren Durchleitung designt sein kann, um die optimal effiziente Triebwerkauslassströmung an den gewünschten Betriebsbereich anzupassen (z.B. breit für ein kleines, niedrig fliegendes Luftschiff oder schmaler für ein größeres Luftschiff).
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Die ringfömige Tragprofilgestalt, kombiniert mit einem im Allgemeinen zentralen Triebwerk und einer Kombination von Vektorschub- und/oder kleineren Steuerflächen und in der Hülle eingebauten/eingebauter Instrumenten und Nutzlast, verringern weiter dramatisch den parasitären Strömungswiderstand äußerer Triebwerksaufhängungen und großer Ruder. Ferner macht die Gestalt Flüge in größerer Höhe praktikabel, sowohl durch Verringern des Gesamtströmungswiderstands und durch Konzentrieren des Luftstroms auf das Triebwerk, was es luftatmenden Triebwerken ermöglicht, bei größeren Flughöhen betrieben zu werden.
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Man beachte, dass es gelegentlich vorteilhaft ist, von der exakten Gestalt eines „idealen“ Tragprofils abzuweichen, insbesondere bei kleineren, nicht-starren Modellen, bei denen die scharfen Hinterkanten traditioneller Tragprofile schwierig oder schwer zu bauen sein würden. Dies kann das „Abrunden“ der Hinterkante erfordern (und das in Kauf Nehmen eines entsprechenden Grades an turbulentem Strömungswiderstand).
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Triebwerkvorteile
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Platzieren des Triebwerks innerhalb des ringförmigen Tragprofils weist viele Vorteile auf.
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Der zentrale Ort minimiert das Winkelmoment des Luftschiffs, was es leichter zu manövrieren macht. Das Triebwerk auf oder nahe an der Achse des Luftschiffs zu haben, ermöglicht es, dass der Schub des Triebwerks durch das Zentrum des Luftschiffs geht, was die Versatzkräfte verhindert, die traditionelle Luftschiffe dazu bringen, ihre Fluglage in Abhängigkeit von der Triebwerksleistung zu ändern.
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Zentrale Platzierung verringert ebenfalls die Gewichtsanforderungen an das Luftschiff, da es keine äußeren Streben braucht, um das Gewicht von Triebwerken an der Außenseite der Einhüllung zu tragen. Ferner kann der Schub der Triebwerke über die zentrale Durchleitung (die versteift ist, entweder durch Verstärkung im starren oder halbstarren Fall oder durch den Druck mehrerer Luftsäcke im nicht-starren Fall) gleichmäßiger auf den Rest des Luftschiffs verteilt werden.
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Die Konzentration von Luft in den Triebwerkseinlass ist auf zweierlei Weise nützlich; erstens erlaubt es einen effizienteren Betrieb eines luftatmenden Triebwerks, da die Luft im Allgemeinen im Einlass dichter sein wird, sobald sich das Luftschiff relativ zur Luft bewegt. Dieser „Stauluft“-Effekt wirkt ähnlich wie ein Auflader oder ein Turbolader in einem Automotor, was Zufuhr eines dichteren Kraftstoff-Luft-Gemischs zum Triebwerk ermöglicht. Zweitens ist der erhöhte Luftstrom für einen Triebwerkspropeller effektiver und ermöglicht es, dass bei einer gegebenen Größe des Propellers eine größere Luftmasse bewegt wird.
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Zusätzlich erlaubt die relativ geringe Geschwindigkeit gegenüber der Luft des Luftschiffs im Vergleich mit Luftfahrzeugen, die schwerer als Luft sind, die Verwendung größerer, langsamerer, aber effizienterer Propeller, die zusätzliche Energieersparnis mit sich bringen. Diese Vorteile sind sowohl verbrennungsmotorbetriebenen als auch elektrisch/solarbestromten Triebwerken gemein und machen das Luftfahrzeug sowohl für Verbrennungsmotoren als auch Solarstrom effizienter als ein traditionelles Luftschiff.
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Der primäre Vorteil der Montage des Triebwerks innerhalb des ringförmigen Tragprofils kommt allerdings vom „Mantelpropeller“- oder „Ummantelungspropeller“-Effekt. Obgleich in der Literatur hinreichend bekannt ist, dass eine Ummantelung die Effizienz eines Propellers gegebener Größe um einen Faktor zwei oder mehr erhöhen kann, machen die Größe und das Gewicht der Ummantelung im Allgemeinen derartige Anordnungen nichtpraktikabel (obwohl sie in kleinen Rotorfahrzeugen und gelegentlich in Experimentalluftfahrzeugen zu sehen sind). Im Falle des ringförmigen Tragprofil-Luftschiffs kommt die Ummantelung allerdings „frei Haus“, da sie als der Auftriebskörper des Luftschiffs verwendet wird.
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Durchleitungseffizienz
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Mantelpropeller sind für kleine unbemannte (UAV) Rotorfahrzeuge beliebt geworden, wobei allerdings die verwendeten Designs kräftig durch das Bedürfnis, das Gesamtgewicht der Ummantelung zu minimieren, und durch die Winkelversatzverwendung in Luftfahrzeugen, die schwerer als Luft sind (z.B. werden Mantelpropeller-Triebwerke häufig effektiv in kleinen Drohnen seitwärts geflogen), beeinflusst werden. Im Falle des Luftschiffs haben wir es mit dem gegensätzlichen Problem zu tun; wir wollen das Volumen der Ummantelung so groß wie möglich machen, während der Gesamtströmungswiderstand minimiert und Strömungsablösung und Turbulenz sowohl innerhalb der Durchleitung als auch außerhalb verhindert oder minimiert werden. Ferner wird die Durchleitung in einer optimalen „nach vorne schauenden“ Konfiguration verwendet, statt unter einem signifikanten Winkel zum Luftstrom, wie bei Verwendung in kleinen Drohnen-Rotorfahrzeugen (wobei bei niedrigen Geschwindigkeiten der Phantom-Strömungswiderstand bis zu 95% des Strömungswiderstands betragen kann, da die Ummantelung seitwärts durch die Luft geschoben wird).
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Andere Erfindungen, die Luftschiffe mit Innentriebwerken innerhalb von Durchleitungen in Betracht gezogen haben, haben sowohl das Detail des Mantelpropeller-Designs als auch die Querschnitts-Tragprofilgestalt der Einhüllung ignoriert und spezifizieren gewöhnlich entweder eine lange, dünne, gerade Röhre oder eine sowohl vorne wie auch hinten gleiche Trichtergestalt.
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Allerdings gibt es eine Anzahl von technischen Parametern, die abgewogen werden müssen, und im Allgemeinen (ohne die Gestalt des Luftschiffs während des Fluges aktiv zu verändern) ist es nötig, eine optimale Reisegeschwindigkeit auszuwählen und sowohl die Länge des Luftschiffs als auch die Gestalt und die Verhältnisse des Einlassradius, der Rotorscheibe und des Auslassradius zu optimieren.
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Dieses Zahlenwerk unterscheidet sich sehr für kleine Luftschiffe verglichen mit großen Luftschiffen. Beispielsweise zeigt ein großes Luftschiff, das mit halber Schallgeschwindigkeit fährt, mit dem zweifachen Einlass- und Auslassdurchmesser dessen der Rotorscheibe (wie oben in Grimm
‘588 präsentiert) große Probleme, da die vierfache Konzentration von Luft in den Bug zu Überschallströmungen innerhalb des Luftschiffs führt, gefolgt von einer signifikanten Strömungsablösung im Auslasskanal, und in der Tat erweist sich ein derartiges Luftschiff als höchst nichtpraktikabel.
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Im Allgemeinen ist ein großer runder Einlass bei nahezu allen praktischen Skalierungen und Geschwindigkeiten wünschenswert, während die Größe der Rotorscheibe und des Auslasskanals (und das Diffusorenverhältnis von deren relativen Größen) auf die Größe und die Geschwindigkeit des Luftschiffs abgestimmt werden müssen. Die Beschränkungen liegen weitestgehend bei einer Strömungsablösung stromabwärts von der Rotorscheibe, die stark von der Reynolds-Zahl abhängt. Im Allgemeinen können kleine Niedergeschwindigkeits-Luftschiffe von einem großen Diffusorenverhältnis profitieren (z.B. ein breit aufgeweiteter Auslasskanal), während größere oder Hochgeschwindigkeits-Luftschiffe das Verhältnis benötigen werden, das auf einen Grenzwert nahe 1 eingeengt wird (z.B. ein zylindrischer Auslass für sehr große Hochgeschwindigkeits-Luftschiffe). (siehe 2)
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Selbst im Grenzfall eines geraden Ausstroms gibt es noch Leistungsvorteile, da der größere Einlass und die verringerte Propellerspitzenturbulenz weiter für effizienteren Betrieb sorgen, und der Ausstrom weiter größer als der natürliche Strahlstrom eines offenen Propellers ist, bei dem es der Luftstromdurchmesser signifikant mit der Größe der Rotorscheibe aufnimmt, wenn der Druckausgleich mit der Umgebungsluft stattfindet.
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Andere Prinzipien, die während des Designs in Betracht gezogen werden müssen, sind die Folgenden:
- – Scheibenbelastung: eine geringe Scheibenbelastung (z.B. die von einer gegebenen Propellerfläche „durchgeschobene“ Luftmenge) ist effizienter, so dass Designs einen großen Rotor in einer großen Durchleitung bevorzugen.
- – Die Einlassgröße erlaubt es dem Rotor, effektiv so zu arbeiten, als wäre er sehr viel größer (z.B. theoretisch die Größe des Luftschiffeinlasses) – somit ist ein großer Einlass vorteilhaft.
- – Die Einlassgröße sollte nicht so groß sein, dass ein Überschallstrom innerhalb der Durchleitung riskiert wird, und sollte idealerweise Überschallpropellerspitzeneffekte vermeiden
- – Das Verhältnis von Einlassgröße zu Rotorscheibe darf nicht so groß sein, dass es den Strom „abwürgt“ und signifikanten Rückwärtsdruck erzeugt, was den Vorteil des gesamten ringförmigen Tragprofils negieren würde.
- – Die Vorteile einer/eines proportional größeren Durchleitung und Rotors müssen gegen das erhöhte Gewicht des Propellers, das vergrößerte Nassgebiet des Luftschiffs und die entsprechende Verringerung des Luftschiffvolumens abgewogen werden.
- – Ingenieursintuition platziert die Rotorscheibe im Allgemeinen an der engsten Stelle der Durchleitung, wobei die allerdings nicht immer die optimale Position ist, wenn der Gesamtströmungswiderstand des Fahrzeugs in Betracht gezogen wird. Minimieren der Gesamtkrümmung (und somit des Strömungswiderstands) des Äußeren des Fahrzeugs, während die Länge des laminaren Stroms in der Innendurchleitung verlängert wird, kann dazu führen, dass die Rotorscheibe weiter hinten in der Durchleitung platziert wird, nach dem Beginn der Erweiterung der Durchleitung. Gleichermaßen kann die Gestalt des Auslassvolumens der Durchleitung von einer klassischen 2D-Tragprofilgestalt abweichen (und sich abflachen), um stromabwärts turbulenten Strom zu minimieren.
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Gleichermaßen kann das Triebwerk aus Gründen der Stabilität und der Gesamtgewichtsbalance von der engsten Stelle der Durchleitung versetzt werden müssen.
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Sicherheit
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Eine signifikante Problematik, die weiteren Gebrauch von kommerziellen Drohnen behindert (wie etwa Quadkopter und andere ferngesteuerte Luftfahrzeuge, die schwerer als Luft sind), betrifft die Sicherheit, insbesondere, wenn diese Drohnen nahe an Menschen betrieben werden – es hat beispielsweise Fälle von Verletzungen bei Sportereignissen gegeben, die von Zusammenstößen von Drohnen mit Teilnehmern verursacht wurden. Diese Fälle können ernsthaft sein, da die Rotoren von vielen Drohnen häufig ungeschützt sind und, selbst wenn sie ummantelt sind, noch immer Finger und lose Kleidung einfangen können. Das Risiko wird größer je größer die Drohne ist, da der reale Aufprall einer größeren Drohne, die herunterfällt oder mit einer Geschwindigkeit fährt, selbst zu einer signifikanten Verletzung führen kann.
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Die vorliegende Erfindung versteckt das Triebwerk allerdings effectiv innerhalb eines großen Luftsacks, der kleine Drohnenversionen der Erfindung für die Verwendung in der Nähe von Personen sicher macht. Falls weitere Sicherheitsmaßnahmen gewünscht werden, können die Durchleitungsöffnungen zusätzlich mit einem Gewebe oder einer anderen Sperre geschützt werden, um Gliedmaßen oder andere Objekte zu schützen, die mit dem Triebwerk in Kontakt geraten.
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Da das Luftschiff im Allgemeinen neutral schwebt, wird es zusätzlich, falls es Leistung verliert, einfach wegdriften und schließlich kollabieren, statt herunterzufallen und Verletzungen zu verursachen.
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Bei größeren Schiffen macht die zentrale Platzierung des Triebwerks Wartung und Reparatur während des Fluges praktikabler sowie das Verhindern von versehentlicher Beschädigung von externen Triebwerken, die während des Bodenhandlings mit Strukturen zusammenstoßen.
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Strukturelle Vorteile
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Anbringen des Triebwerks am oder dicht am Schwerpunkt (oder genauer am „Auftriebsmittelpunkt“) weist viele mechanische Vorteile auf. Anders als bei traditionellen Luftschiffen erfordert/erfordern das Triebwerk oder die Triebwerke keine signifikanten Verstrebungen an der Seite des Luftfahrzeugs und Schub vom Triebwerk verursacht keine Fluglageänderung des Luftschiffs. Aufnehmen des Triebwerks im Inneren ermöglicht es auch, sich von Strukturen mit hohem Strömungswiderstand zu befreien oder diese zu minimieren, wie etwa Triebwerkverstrebungen und Verankerungsleinen, und macht es leichter, den Schub des Triebwerks gleichmäßiger auf den Körper des Luftschiffs zu verteilen.
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Das Design löst auch ein Problem mit Luftschiff-Steuerflächen. Traditionelle Luftschiff-Steuerflächen (die Ruder am Heck des Luftschiffs) müssen sehr groß gemacht sein, teilweise deswegen, weil sich die Basis der Ruder im Allgemeinen innerhalb turbulenter Luft befindet, die von der „Nachlaufströmung“ des Hecks der ellipsoiden Gestalt des Luftschiffs verursacht wird. Die Steuerflächen eines traditionellen Luftschiffs müssen groß gemacht sein, teilweise damit sie sich ausstrecken können, um „reine“ Luft zu erreichen, in der die Steuerfläche effektiver sein kann.
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Allerdings minimiert die ringförmige Tragprofilgestalt der Gaseinhüllung sowohl die turbulente Nachlaufströmung hinter dem Luftfahrzeug als auch den Abstand zu „reiner Luft“ und somit können die Steuerflächen kleiner gemacht werden, was sowohl Kosten als auch den Gesamtströmungswiderstand verringert. Ferner verringert die Verwendung von Schubvektorisieren (was wiederum auch Steuerflächen im Inneren der Durchleitung erfordert, in Abhängigkeit vom verwendeten Verfahren) ebenfalls das Gesamtoberflächengebiet von erforderlichen Steuerflächen, wobei gleichermaßen der Strömungswiderstand verringert wird.
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Insgesamt weist die ringförmige Tragprofilgestalt ein signifikant größeres „Nassgebiet“ auf als das äquivalente traditionelle Luftschiff und somit einen größeren Hautreibungs-Strömungswiderstand – das Nassgebiet von Prototypen ist häufig um 25–33% größer als das der äquivalenten traditionellen „Fussball“-Gestalt desselben Volumens. Allerdings gewinnt sie mehr als diesen Extra-Strömungswiderstand durch signifikantes Verringern des Form-Strömungswiderstands und das Beseitigen oder starke Verringern des parasitären Strömungswiderstands von Triebwerken, Leitungen, Kabinen und Steuerflächen zurück.
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Manövrierbarkeit
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Die zentrale Platzierung des Triebwerks verringert das Trägheitsmoment des Luftschiffs. Kombiniert mit der Fähigkeit des Schubvektorisierens vom Heck des Luftschiffs oder des Verwendens von in der Hinterkante montierten Propellern ermöglicht dies dem Luftschiff, signifikant leichter zu drehen, einschließlich bei geringen Geschwindigkeiten. Dies ist insbesondere für kleine Drohnen-Luftschiffe wichtig und stellt ein einfaches und kosteneffektives Mittel zum Steuern eines kleinen Fahrzeugs bereit, ohne zusätzliche Steuerflächen, extra Lenktriebwerken und so weiter.
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Solarstrom
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Wie erörtert weist das Design des ringförmigen Tragprofil-Luftschiffs ein größeres Oberflächengebiet-zu-Volumen-Verhältnis auf als ein traditionelles Luftschiff.
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Es gibt allerdings einen direkten Vorteil der größeren Oberfläche, dadurch, dass das Luftschiff eine exzellente Plattform für Solarstromsammlung bereitstellt (Luftschiff-Solarstromsammlung im Allgemeinen wurde häufig im Stand der Technik beschrieben). Angesichts der verringerten Leistungsanforderungen des effizienteren Luftschiffs erlaubt das vergrößerte Sammelgebiet praktikablen Solarstrombetrieb des Luftschiffs.
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Grenzschichtsteuerung
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Wie zuvor erwähnt wurde, ist eine Schlüsselanforderung für Luftschiffe das Verringern des Strömungswiderstands. Die ringförmige Tragprofilgestalt verringert signifikant den Strömungswiderstand, indem eine Grenzschichtablösung und die damit einhergehende turbulente Nachlaufströmung, die traditionellen Luftschiffen eigen ist, verhindert oder verzögert werden.
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Eine Menge von anderen Erfindungen hat versucht, Luftschiff-Strömungswiderstand durch „aktive“ Grenzschichtsteuerung, Luftansaugung am Heck des Luftschiffs, um Luftstromanhaftung aufrecht zu erhalten, zu verbessern. (z.B. Goldshmeid, Integrated Hull Design, Boundary-Layer Control, and Propulsion of Submerged Bodies, Second Propulsion Joint Specialist Conference, Colorado Springs, CO, 1966).
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Solche Erfindungen haben gewöhnlich beim Realisieren praktikabler Vorteile versagt, allerdings aufgrund des Zusatzgewichts von Ausrüstung und einer komplexen Strömungsgeometrie. Mit dem ringförmigen Tragprofil-Luftschiff liegt der Luftstrom in der Ausgangsröhre allerdings bei einem signifikant niedrigeren Druck als dem der Umgebungsluft und es ist möglich, eine kleine Luftmenge einfach durch Herstellen kleiner Öffnungen in Richtung auf das Heck des Luftschiffs anzusaugen (und somit bei Grenzschichtanhaftung zu helfen oder zumindest eine Ablösung zu verzögern) [Figur 6]. Da dies keine zusätzliche Ausrüstung oder Zusatzgewicht erfordert (außer dem Gewicht der Röhren oder Durchleitungen), kann dieses Verfahren praktisch genutzt werden, um den Strömungswiderstand zu verringern, wenn das Luftschiff unter Bedingungen betrieben wird, bei denen es von Vorteil sein würde (z.B. bei Geschwindigkeiten und Flughöhen, bei denen ansonsten signifikante Ablösung und Nachlaufströmungsturbulenz auftreten würde).
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Betriebskonzept
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Die Erfindung sieht drei breite Betriebsmodi vor.
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Das erste Betriebskonzept ist das eines kleinen, leichtgewichtigen Drohnen-Luftschiffs, das im Allgemeinen kleiner als 2,5 m lang ist und weniger als 1 m Durchmesser aufweist, mit einer Nutzlast von weniger als 500 g, zur Verwendung als entweder ein Spielzeug oder eine sichere, leichtgewichtige Drohne. Das Luftschiff würde eine längere Höchstflugdauer als Rotorfahrzeug-Drohnen aufweisen, insbesondere unter Bedingungen mit leichtem Wind oder keinem Wind, würde aber im Vergleich mit anderen Drohnen-Luftfahrzeugarten eine relativ geringe Geschwindigkeit aufweisen. Die Drohne würde ein vereinfachtes Lenksystem verwenden, das ein oder mehrere Elemente von Vektorschub, Lenkpropellern, Gewichtsverlagerung und/oder traditionellen Rudern aufweist, und würde üblicherweise aus einer nicht-starren Konstruktion bestehen. Unter manchen Umständen könnte die Drohne die Saugkraft des Triebwerks verwenden, um sich an Oberflächen (einschließlich des Bodens und der Wände) „anzukleben“, um sich mit der Nase oder dem Schwanz zu verankern.
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Das zweite Betriebskonzept ist das eines eine Standardmannschaft tragenden Luftschiffs von starrer oder halbstarrer Konstruktion mit einer vorneliegenden Kabine, einem im Allgemeinen mittigen Triebwerk und Kraftstoff, Batterien und anderer Ausrüstung, die so verteilt sind, wie es für ein Ausbalancieren erforderlich ist.
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Das dritte Betriebskonzept ist das eines Luftschiffs für große Flughöhe von halbstarrer Konstruktion, dessen zentrale Durchleitung aus einem leichtgewichtigen Material gefertigt ist, wie etwa Kohlefaser, die das Triebwerk enthält, mit an der starren Durchleitung befestigten flexiblen röhrenförmigen Ballons. Wenn das Luftschiff, auf sagen wir 50‘000 Fuß (wo der Luftdruck ~10% dessen am Boden beträgt) aufsteigt, würde das Luftschiff in der Lage sein, seine allgemeine Gestalt beizubehalten, und die zentrale starre Durchleitung würde sowohl effizienten Triebwerksbetrieb als auch eine allgemeine Steuerung des Luftschiffs erlauben.
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Erste Ausführungsform
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Die erste Ausführungsform meiner Erfindung betrifft ein stromlinienförmiges Luftschiff mit einer großen zentralen Durchleitung in der Form eines ringförmigen Tragprofils zum Minimieren des Gesamtströmungswiderstands.
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104 ist eine Seitenansicht, die die allgemeine Gestalt im Querschnitt veranschaulicht. Die „Seiten“ des Luftschiffs sind so ausgewählt, dass sie den stromlinienförmigen Querschnitt eines Tragprofils aufweisen.
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Innerhalb der Durchleitung befindet sich ein Triebwerk, wie etwa ein Propeller. Ein Propeller weist in dieser Konfiguration viele Vorteile auf, da er aufgrund der verringerten Spitzenturbulenz durch den Betrieb in einer „Ummantelung“ effizienter arbeiten und von dem erhöhten Luftstrom der großen Vorderöffnung profitieren kann. Zusätzlich kann, da Luftschiffe im Allgemeinen bei geringeren Geschwindigkeiten als Luftfahrzeuge betrieben werden, ein größerer, langsamerer, aber effizienterer Propeller verwendet werden und kann dafür designt sein, entlang seiner Gesamtlänge Schub zu liefern (im Gegensatz zu traditionellen Propellern, die sich nahe den Spitzen abflachen, um die Turbulenz zu verringern).
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Schließlich wird der Bug des Luftschiffs Luft in der zentralen Kammer konzentrieren, was höheren Vorluftdruck und weitere Triebwerkeffizienzen liefert (einschließlich dichterer Luft für Verbrennungsmotoren).
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Starre, halbstarre und nicht-starre Ausführungsformen
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Herstellen einer stabilen Einhüllgestalt bietet einige Herausforderungen, da eine längliche runde Gestalt dieser Art nicht einfach aus Gummi gemacht und aufgeblasen werden kann, da die Innendurchleitung kollabieren wird, wenn sich das Luftschiff zu einer Annäherung einer Sphäre ausdehnt. Zusätzlich muss der stromabwärts vom Triebwerk befindliche Kanal mit dem signifikanten Druckabfall fertig werden, der durch den vom Triebwerk beschleunigten Luftstrom verursacht wird. Eine Anzahl von Verfahren kann verwendet werden, um die Gestalt des Luftschiffs und des zentralen Kanals beizubehalten, wobei es weitestgehend von der Größe, Spannungen, Kosten und der beabsichtigten Betriebsumgebung des Luftschiffs abhängt, welches Verfahren das passende ist.
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Ein nicht-starres Design
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Ein nicht-starres Design, das für kleine Drohnen unter relativ leichten Bedingungen geeignet ist, wie etwa für die Verwendung in Bürogebäuden, in Messen oder als ein Spielzeug, kann durch Bauen des Luftschiffs aus einer Anzahl von nichtdehnbaren, aufblasbaren Längsröhren oder -zellen geschaffen werden. Diese Zellen können aus einem beliebigen der üblichen warmdichtenden, undurchlässigen Stoffe im üblichen Gebrauch gestanzt werden, einschließlich EVOH, Polyurethan und aluminiertem Nylon (siehe 3). Die Zellen werden dann aneinander angebracht, um eine starke Annäherung an die gewünschte Tragprofilgestalt zu schaffen, wobei die Innendurchleitung aufgrund des Drucks der Seitenwände der Zellen offen bleibt.
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Bei einer speziellen Ausführungsform werden sechs derartige Zellen aus einem gemeinsamen Tuch gestanzt und die Gestalt wird leicht angepasst, um einen geraden Abschnitt, der Zellenpaare verbindet, zu enthalten. Der Rest der Gestalt wird entlang der gemeinsamen Saumlinie verbunden (normalerweise mit Thermoband) und eine Endverbindung wird zwischen der ersten und der letzten Zelle erstellt, was das Ringtragprofil erzeugt.
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Bei dieser Ausführungsform, die für kleine leichgewichtige Drohnen und Spielzeuge geeignet ist, gibt es eine Unregelmäßigkeit in der Innendurchleitung (verursacht durch die „Wölbung“ der Zellen), die eine leichte innere Ummantelung für den Propeller erfordert, die sowohl zum Gestalten des Luftstroms als auch zum Schutz des fragilen Stoffs der Durchleitung vor den Propellerspitzen dient. Diese innere Ummantelung kann aus irgendeinem leichten Material hergestellt werden, wobei sich sowohl Polystyrol als auch Leichtkunststoff als praktikabel erwiesen haben.
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Richtungssteuerung kann entweder über externe Ruder, in der Hinterkante eingebettete Propeller oder mittels Vektorschub geschaffen werden. In der einfachsten Form wird Vektorschub durch Ziehen am Stoff des Ausgangsrings der zentralen Durchleitung mit Verankerungsleinen erreicht, wodurch die Ausgangs-„Düse“ des Luftschiffs verformt wird, oder durch eine Kombination dieses Verfahrens mit traditionellen Rudern. (Bei kleinen Drohnen kann eine Fluglagesteuerung auch durch Gewichtsverlagerung bewirkt werden, z.B. durch Bewegen eines Batteriepakets entlang einer leichten Kunststoffschiene.)
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Ein halbstarres Design
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Ein halbstarres Design, das für größere Drohnen und stärkere Windbedingungen und möglicherweise Gebrauch bei großer Flughöhe geeignet ist, kann durch Stärken der Innendurchleitung geschaffen werden, um ein hohles „Rückgrat“ für das Luftschiff zu erschaffen, von dem aus Gassäcke (möglicherweise röhrenförmig wie in dem obigen nicht-starren Beispiel) angebracht werden können. (siehe 4)
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Bei dieser Ausführungsform können die Gassäcke selbst aus einem flexibleren Material hergestellt sein und es kann ihnen erlaubt sein, sich auszudehnen und zusammenzuziehen, wenn das Fahrzeug steigt und fällt, ohne die Gestalt und die Effizienz der zentralen Durchleitung und des Triebwerks zu beeinträchtigen.
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Alternativ kann eine einzige große aufblasbare Einhüllung verwendet werden, die am Rückgrat zentriert ist und die Stoffmenge, die für die Einhüllung erforderlich ist, signifikant verringert.
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Die erhöhte Starrheit des zentralen Rückgrats kann verlängert werden, um eine Verkleidung für den Bug des Luftschiffs zu schaffen, um die Aerodynamik des Luftschiffs zu verbessern und „Flattern“ zu verringern, wenn die Röhren zu wenig aufgeblasen sind (z.B. während der frühen Stufen beim Start eines hochfliegenden Luftschiffs, bevor die Dienstflughöhe erreicht wird)
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Ein starres Design
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Für große Luftschiffe oder Luftschiffe, die unter Starkwindbedingungen betrieben werden, kann eine traditionelle starre Konstruktion mit einem Stützgitter aus Gliedern, das die Gestalt für sowohl die äußere Einhüllung als auch die Innendurchleitung liefert, verwendet werden. (siehe 5)
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Das Stütz-„Skelett“ des Schiffs muss unter Berücksichtigung des Niederdrucks, der sich im Auslassabschnitt der Innendurchleitung findet, gebaut werden.
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Die Gesamtbalance der Luftschiff-Komponenten muss berücksichtigt werden; im Allgemeinen wird die Kabine vorne sein, das Triebwerk in der Mitte und Kraftstoff, Batterien und Ausrüstung im Heck. Allerdings kann die Position dieser Elemente bewegt werden, um eine Gesamtbalance des Designs zu liefern, oder um den Luftstrom unter verschiedenen Designregimen zu optimieren (z.B. sind die Gestalt des Tragprofils und die Position des Triebwerks für ein kleines niedrigfliegendes Luftschiff im Vergleich zu einem großen, hochfliegenden Luftschiff anders).
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Ein starres Design kann auch in kleineren Drohnen-Luftschiffen von Nutzen sein, bei denen die Stützglieder aus einem leichtgewichtigen Kunststoff hergestellt sein können, wie etwa aus Polystyrol oder Aerogel oder aus einem Kohlefasergewebe. Polystyrol-Tücher, die zu einem Tragprofil mit ausgeschnittenen Innenabschnitten gestaltet wurden, können mit den obigen nicht-starren oder halbstarren Designs kombiniert werden, um ihnen zusätzliche Stabilität zu geben.
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Obgleich diese Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, versteht es sich, dass sie zu weiterer/weiteren Modifikation(en) fähig ist. Diese Anmeldung ist dafür gedacht, jegliche Varianten, Verwendungen oder Adaptierungen der Erfindung, die im Allgemeinen den Prinzipien der Erfindung folgen, abzudecken und solche Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung zu umfassen, wie sie dem Stand der Technik, zu der die Erfindung gehört, entsprechend innerhalb bekannter oder angepasster Praxis vorkommen und wie sie auf die essentiellen hier aufgeführten Merkmale angewandt werden können.
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Da die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen umgesetzt werden kann, ohne vom Wesen der essentiellen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen, versteht es sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen, soweit nicht anderweitig spezifiziert, sondern innerhalb des Wesens und des Schutzumfangs der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, breit aufgefasst werden sollen. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeder Hinsicht lediglich als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden.
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Verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen sind zur Aufnahme innerhalb des Wesens und des Schutzumfangs der Erfindung und der angehängten Ansprüche beabsichtigt. Von daher verstehen sich die spezifischen Ausführungsformen als Veranschaulichung der vielen Weisen, auf welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung praktiziert werden können. In den folgenden Ansprüchen sind Mittel-plus-Funktions-Klauseln dafür gedacht, Strukturen als die definierte Funktion durchführend und nicht nur als strukturelle Äquivalente, sondern auch als äquivalente Strukturen abzudecken. Obwohl beispielsweise ein Nagel und eine Schraube möglicherweise keine strukturellen Äquivalente sind, dadurch dass ein Nagel eine zylindrische Oberfläche zum Zusammenfügen von Holzteilen einsetzt, wohingegen eine Schraube eine schraubenförmige Oberfläche zum Zusammenfügen von Holzteilen einsetzt, sind ein Nagel und eine Schraube im Umfeld des Holzteilebefestigens äquivalente Strukturen.
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„Umfassen/umfassend“ und „beinhalten/beinhaltend“ sind, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, so aufzufassen, dass das Vorhandensein genannter Merkmale, ganzer Zahlen, von Schritten oder von Komponenten spezifiziert wird, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines/einer oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Komponenten oder Gruppen davon nicht ausgeschlossen wird. Außer wenn es der Kontext unmissverständlich anders erfordert, sind somit in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen die Wörter „umfassen“, „umfassend“, „beinhalten“, „beinhaltend“ und dergleichen in einem einschließenden Sinne im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinne zu verstehen, das heißt im Sinne von „beinhaltend, aber nicht beschränkt auf“.
