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L u f t b a k e b z w . D r a c h e n
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Luftbake bzw. einen Drachen
mit aufblasbarem Tragwerk.
Luftbaken sind in dem Luftraum über der Erdoberfläche verankerte
oder geschleppte
Flugkörper, die beispielsweise als
# Markierungspunkte (Navigation)
#
Ziel- oder Täuschungskörper, Aufklärungsplattformen (Militär) #
Nachrichtensender, Antennen, Relaisstationen (Kommunikation) # Wissenschaftliche
Meßplattformen (Meteorologie u. a.) dienen.
Üblicherweise werden
diese Aufgaben auf zweierlei Art gelösts 1. durch Fesselballone (mit aerostatischem
Auftrieb
2. durch Drachen (mit aerodynamischem Auftrieb
Deiden
Methoden haftet der bei gewissen Anwendungsfällen störende
Nachteil an,
dau die Flug- oder Schlepphöhe bei Verankerung auf
der Erde bzw.
Anhängung an erdgebundenen Fahrzeugen (Wagen, Schif-
fe) sich mit der Wind-
bzw. Schleppgeschwindigkeit verändert.
Fesselballone mit aerostatischem
Auftrieb werden durch horizontalen,
erdparallelen Wind nach unten gedrückt,
wobei der Tangens des Seil-
winkels gleich ist dem Verhältnis von freiem
aerostatischem Auf-
trieb zu aerodynamischem Widerstand. tg CC- A/W
Drachen daf;egen steigen mit.wachsender Windgeschwindigkeit
höher,
weil der Tangens des Seilwinkels gleich ist dem aerodynamischen
Auftrieb
minus Gewicht zu dem aerodynamischen Widerstand und mit
der Windgeschwindigkeit
wächst.
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Der Drachenflug erfordert Mindestwindgeschwindigkeiten, die bei sehr
leichten Geräten bei etwa 3 m/s liegen.
Ein weiterer
Nachteil ist die kleine Gescliwincligkeifärb aüiie;"bei der Drachen üblicher
Dauart zu betreiben sind. Soll ein Drachen
1>ei grober Wincig;esehwinciig;keit
(z.13. 20 m/s) geflogen werden, muß die aus Rahmen und l)espannung; bestehende
Struktur entsprechend stark und damit schwer ausgeführt werden,
so daß beiden höheren Flächenbelastungen (G/F) die Flugfähigkeit
bei niedriger Windgeschwindigkeit nicht mehr g;eg;eben ist. Die große Beanspruchung
tritt beim Start auf und ist für die Strukturbemessung maßgebend.
Das
liegt besonders an dem Umstand, daß übliche Drachen ihre Stabilisierung; um die
Querachse durch Triangelaufhiingung und teil-weise durch einen zusätzlichen
Schleppschweif erzielen, wobei der
Start bei hohem Anstellwirikel
(meistens bei abgelöster Strömung
in überzogenem Flugzustand verbunden mit-
großen Seilkräften er-folgt. Erst nach dem Aufstieg; stellt sich ein flacherer
Anatellwinkel mit kleinerem Auftriebsbeiwert und günstigerer Gleitzahl (W/A) ein.
Vergl. (las Kräfteschema,- in dem die Kräfte und ihre Richtungen für einen Drachen
üblicher Dauart in Fig. 1 dargestellt und mit dem erfindungsgemäßen
Drachen in Fig. 2 verglichen sind. Ferner sind die Startschwierigkeiten
bei niedrigen Geschwindigkeiten in Bodennähe hervorzuheben, besonders, wenn clufcli
(UP Triangelaufhängung beim Start zwangsläufig; ein überzogener Flugzustand vorgegeben
ist. Das gilt in noch stärkerem Maße für einen Start von einem Fahrzeug
mit nachlaufender Wirbelschleppe (Turbulenz), der bei bestimmten Einsatzfällen erwünscht
ist. Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu beheben
und einen Drachen zu entwickeln, der folgende Forderungen erfüllt:
1. Konstante Flughöhen bei gegebener Schleppseillänge unabhängig von
der Wind- oder Schleppgeschwindigkeit. 2. Große Geschwindigkeitsspanne
durch a) Verringerung der Startbelastung; mittels Einpunkt-
aufhängung;, die
in Verbindung mit einer aerodynamischen Eigenstabilität bereits beim Start gute
Gleitzahlen
und gesunde Strömungsverhältnisse selbsttätig; einzustellen gestattet.
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b) Extreme Leichtbauweise nach erfindungsg;@emäßer Konstruktion, (fieren
Strukturfestigkeit darüberhinaus wegen der Verringerung der Startbelastung nur
nach
den liochflug-Zuständen zu bemessen ist.
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c) Anpassung der Auftriebsbeiwerte an die Windgeschwindigkeit
mit Verringerung der aerodynamischen'Belastung und Seilkraft.
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Einfacher Start "vom Punkt weg" mit stetigem "Leinegoben":
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drachen
a.iis
einem in der Drziufsiclit v-förmigen und aus elastischer
Folie
tiergestellten Rumpfkörper bestellt, der aus einem strömungsgünstigen
Vorkörper und zwei damit fest zu einer Volumeneinheit verbundenen
Schenkeln gebildet wird, zwischen denen eine Flügelmembran ausrespannt
ist, wobei der Rumpfkörper mit einem Füllgas ausgesteift wird.
Ein
weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist darin zii sehen, daß die =wischen
den Rumpfschenkeln ausgespannte Flügelmembran aus
zwei stellenweise
und an ihren «äußeren Uilichenbegrenzungen mit-einander gasdicht verbundenen
Häuten besteht und die derart gebildeten Kammern mit einem Füllgas ausgesteift
werden. Umeine von der Windgeschwindigkeit unabhängige konstante Flugliiihe
des Drachens zu ermöglichen urui auch zur Erleichterung
den
Starts bei sehr kleinen Windgeschwindigkeiten
wird nach einer wei-
teren Ausbildung der Erfindung
das Gasvolumen so bemessen, ciaß bei Verwendung von Traggas zur Auesteifiing
der aerostatische Auf-trieb gleich dem des hfüche(lP Die Ausbildung
des Drachens als aerodynamisch günstig gestalteter
Auftriebskörper
durch flugzeugähnlichen üeltaflügel mit guter
Gleitzahl ermöglicht
das Erzielen einer aerodynamischen Ligenstabilitkt
um alle drei Achsen.
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Wegen dieser Eigenstabilität (ohne Schleppschweif)
ist eine Einpunkt-Aufhängung mit 3 Freiheitsgraden vorgesehen, wobei sich
der geschleppte Flugkörper unter allen Schleppseilwinkeln auf einen
annähernd konstanten Auftriebsbeiwert (CA) selbsttätig einstellt,
und dabei im gesamten Betriebsbereich einschließlich Start bei Auftriebsbeiwerten
betrieben werden kann, die bei gesunden Strö-mungsverhältnissen unterhalb der
Ablösungsgrenze (cAmax) liegen.
hei Gewichtslosigkeit ist der Tangens
des Schleppseilwinkels gleich
den kehrwert der Gleitzahl
(1/E) des Flugkörpers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dar-
gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Die Tragstruktur des Drachens (Fig. 3) besteht aus einem aufblasbaren,..vo-rzüglich
aus Plastikfolie oder imprägniertem Gewebe oder
Gummigefertigten strömungsgünstigen
Vorkürper 1 und damit fest zu
einer Volumeneinheit verbundenen und
mit dem Vorkörper gemeinsam aufblasbaren 2-pfeilförmig anschließenden Schenkeln
2 und 3.
Zwischen diesen Schenkeln ist ein Nembranflüdel (4) ausgespannt.
Dadurch ergibt sich ein etwa dreiecksförmiger Flugkörper, (108801t Pfeilwinkel #p
vorzugsweise etwa GU o betrügt. Der Membranflügel ist, mit einem starren Kielholm
(5) versehen, der vorzugsweise in eine abgesteppte Schlaufe (G) dos hiembranflügels
eingeschoben wird und zur Kräfteeinleitung der Fesselleine (7) bzw. gegebenenfalls
zur Anlilindund einer Nutzl.riat (8) dient. Die Krafteinleitung über dieser, Holm
bewirkt einer lcielftirrnige Verformung der Membran iri Art einer V-Stellung, die
ihrerseits eine liol l stiilri 1 i t lit um die Fludkürper-i,üngsachse ergibt. Die
(Ktri#satal)ili-@eltri-flugkürpcirs@ tät) wird durch die Dreiecksform (Pfeilund
den
erreicht. Die Einpunkt-Aufhängung- (3) des Fessel sei 1 s befindet
sich am Kielliolrtt. Der A.ufliliridepunlct mini aus Gründen der aerodyrisirni
eclicin hi.deria tabi 1 i t ät um die Querachse vor dem Neut ralpunkt N (Druckpunkt)
den Gesamtsystems liegen und entspricht leinsichtlich Gier Wi rk.ung seiner Kraft
einl ei ,und dem Schwerpunkt frcei f'1 i ed(irider Luftfahrzeuge. In füllen, bei
deinen der aer°ost.cit-isclie Auftrieb das Eigengewicht nicht voll kompensi ert
, bzw. im Sonderfall vier Füllung mit Luft, ist dorr Aufhängepunkt zweckmäßig in
oder nahe eiern Schwerptrrtkt den Rostgewichtes (Gewicht minus aeroetat.
Auftrieb) zu legen. Vergrößerung der Vorlade vom Aufhängepunkt regenüber dem Neutralpunkt-
erhöht die Stabilität, verringert aber bei gegebener form den Flugkörpers
den erflogenen Auftr iebubeiwert c". Die Lüge (los Aui'lüingeiiunlctes .gegenüber
dem Neutralpunkt bestimmt also den sielt eineqtellenden Aristellwirikel und Auftriebsbeiwert
bei gegebener fluE;lcürpErr#deattilt.
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Der eiderietabilct Drachen stellt sich 101e1 tri beim Start auf den
Anatellwirikel des Hochflugs mit günstiger Gleitzahl ein und beli:ilt diesen beim
@ufr@tieg bei, im Gegensatz zu dem "klassischen" Drachen mit 'Ir#ilin(;elaufhlindung,
der mit gr-olJerri Anstellwinkel und 1111 allgemeinen 1l(01 ab(;trl ör t er ;1t
r<imund ver bänden uni t hohen Sei lkr,:iftcn startet. In gern
Schema sind YHrgleichawü1Ae die Kräfte
und 111r`(1 Richtungen vifi(Fc!7iriclirl(rt
für einen Drachen lierktimmlicher Bauart reit 'Irilinge#lriuflilin(,und (I'ig.
1, und für- den erfindundsdertitiue1) Drachen ins t Derodynamischel- l:idenatltlri
1i tiit (feg. 2). Der Linfachlieit halber wurde in beiden Füllen das Eigengewicht
des Drachrria vernachlließigt (et. lielücksichtigtrrrg c108 higeligewichtes würde
die 1.1rci°lc°i;erilic=i t dos erf indundogemülien Drachens 1,0('.I1 eirtciiucksvoller
ei scli(xillell). In dcrri Schema üecleuten A a Auftrieb, w = Wideratarld,
I, s resul t iererlde Luftkraf t , a s Sei 1 vti(",. I)er Atlt t110,)
ist lt" Itoir:.liie'1 iri 1E'1<1011_ l':illerl mit 1 leg en(,c'1rorrlmen.
Der
eigenstabile Drachen startet mit kleinem Anstellwirikel bei niedrigem Seilzug (0,25
kg) und behält seine Lage zur Windeborie während des Aufstiegs bei. Der
"klassische" Drachen surrtet in
überzogenem Flugzustand mit großem
Widerstand und großer Soll-
kraft (i,85 kg).
Aus Richtung und Größe
der Luftkraftresultierenden it und der Sellkraft S ergibt sich der für die Steigbeschleunigung
verfüg-, bare Kraftvektor B m m. b, der in den herausgezeichneteri Kräfteparallelogrammen
(Fit;. 1a und 2a) für beide Fälle gesondert dargestellt ist und den schnelleren
Aufstieg des erfindungsgemäßen Drachens mit Eigenstabilisierung zeigt.
Wie bereits erwähnt, bestimmt die Vorlage des Aufhängepunktes vor
dem Neutralpunkt
den Anstellwinkel. Zur Verringerung von Deanspruchung des Drachens und Seilzug ist
eine Einstellbarkeit bzw.
Verschiebbarkeit des Aufhängepunktes (9) auf dem
Kielholm (5) vorgesehen. Je nach Wind- bzw. Schleppgeschwindigkeit kann ein zweckmäßiger
Auftriebsbeiwert vorgewählt werden: # Bei niedriger Geschwindigkeit hoher cA-Wert,
d.h., kleine Vorlage des Aufhängepunkts bei hofier Geschwindigkeit niedriger cA-Wert,
d.h., größere Vorlage des Aufhängepunkts Die Anpassung der aerodynamischen Belastung
an die Windstärke durch Vorwahl des Auftriebsbeiwertes gestattet
einen extremen Leichtbau. Eine Anpassung der aerodynamischen Belastung an
schwankende Wind-geschwindigkeiten oder Böen während des
Flu ges ist auf dreierlei
Art möglich:
e Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion mit aufgeblasener, pfeilförmiger
Flugkörper-Konfiguration ist eine selbstt=itige Adaptionsfähigkeit durch
elastische Veränderung des
Pfeilwirikfls der beiden Rumpfschenkel in Verbindung
mit der durch den. Kielholm V-förmig ausgespannten Flügelmembran gegeben, die sich
bei den durchgeführten Flugversuchen als
äußerst wirksam erwiesen hat. Bei
auftretenden Böen nähern sich die beiden Rumpfschenkel zu spitzerer Pfeilung
unter gleichzeitiger Vergrößerung der V-Stellung der Flüf;elmembran9
wobei die tragende Fläche und damit die Beanspruchung eP_tscüeidend
verkleinert wird. Der Flugkörper weicht grö-U.eren Belastungen durch elastische
Verformung aus. Diese
Adaptionsfähigkeit kann durch Wahl eines geringeren
Füllclruc:
ke:) noch verbessert werden.
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hach den gewonnenen I'Iut;erfahrunl;en sinci sogar sehr
weiche
FLiigkürper clur Konfiguration bei Pfeilwinlcelverg;rütiurung; bis
zti YF.s 7)c) (30o zwischen (101) schenkeln gemessen) noch gut flugfähig und eigenstabil.
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s 1;ine weitere Anpassen;; rin Windgoachwindigkeit oder
Dben w filireritl des Fluges wircl erfindungagemäü vorgeschlagen: Der Aufhängepunkt
()) des feaacila(iila (7) wird auf detu Kielliolin (5) gegen die Kraft einer vorspannbaren
(Vorspannnicht 13-ezetcIirtct) Feder- ( 18) verschiebbar angeordnet, was
z.B. mit Hilfe einer Schlittenführung (19) (sctiematiacli dargestellt in Fig. 4)
oder eines Kipphebels (i()) (Fig. 5) erfolgen kann. 130i wachsender Belastung; und
Soilkraft wandert der Aufhängepunkt nach wirrte aua, wodurch sich ein kleinerer
Anetullwinkel mit niedrigerem Auftriebsbeiwert einstellt.
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s Eine dritte Möglichkeit der Anpaa:)ung rin Windgeschwindigkeit
oder Böen während (leg Fluges ist die Steuerung; oder Trimmeng mittels Klapper:
über den Seilzug. Erfindungsgemäß wird hier fol@;ertcia i.üevnf; @rE@r@;f@@chlil@;@tlc
Eirie Klappe an der llinterkan te des Menibrarifliii;els (li) wird gegen eine vorgespannte
Feder über einen llebelniechanismus durch die Saillcraft in dem Sinrie verstellt,
daß bei wachsender Seilkraft die Klappe ein kopflastiges Moment erzeugt und damit
den Anstullwinkel und Auftriebsbeiwert verkleinert. Eine Lösung; dieses Prinzips
bei der flexiblen Bauart (los Membranflügels ist in Fig. E dargestellt. Der Kielholm
(5) liat ein Knickgelenk (10), wobei sein abgeknicktes Ende (11) (101a hinteren
Flächenteil (12) des Mombranflügels (4) als Trimm-- k1alipe ausspannt. Die
Betätigung der Klappe durch die Seilkraft über eine Umlenkrolle (17) (oder Öse)
gegen eine Feder (18) ist aus der Skizze ersichtlich.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird anstelle der oben
beschriebenen einhäutigen Flügelmembran die bran (4a) mit zwei übereinander liegenden
Häuten ausgeführt (Fit;. 7). Diese Häute (13 und 14) sind stellenweise und an Ihren
äußeren Flächenbegrenzungen miteinander gasdicht verbunden (ähnlich einer Luftmatratze),
wodurch Kammern (15) gebildet Werden, die durch Aufblasen mit Füllgas
eine Aua-
ateifung der I-'liit;elnienibrari ergeben. Dadurch
kann der hielliolm #@iitlafit<'t oder ersetzt Und eine beegf'.re hormlialtigkeit
und Steif-
heit erreicht wurden. Iiei Verwendung von Traggas wird der aerostatische
Auftrieb des so gebildeten biernbranvolumens zum Gewichtsausgleich mit herangezogen
und erlaubt eine schlankere Bemessung der RumpfkUrper mit günstigerer aerodynarniseher
Form. I1er Start Erfolgt die Bemessung des Flugkörper-Volumens in, ferh.il tnis
ziim Gesamtgewicht dos Flugkörpers derart, daü bei Füllung mit Tragt;as Gewichtalosigkei
t oder sogar geringer über-Rchüssiger aerostatischer Auftrieb erreicht wird, wird
das Startverfahren wenentlich erleichtert, indem sich aus dem Schwebezustand heraus
bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten der gewünschte Miatellwinkel und Auftriebsbeiwert
einstellt. Sogar bei Verwendung von Luft als Füllgas ist aufgrund der, orfindungagemäß
niedrigen Flächengewichte (s. unten und der aerodynamischen I;ii;ceiistiiliilität
ohne Verwendung eines Schleppschweifs vier Start "vom funkt weg" aus der
Band sehr einfach. Startversuche aus dem Stand oder vom Fahrzeug (Boot) mit
stetigem "I.ciriet;eben" haben das bestätigt. Bei Gewichtslosigkeit des Systems
(Flugkörper * Seil entspricht der Tangens des Seiiwip)#els dem Ertir-wert
der Gleilralil , iI.Ii.
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to c( m A/W. Bei gegebener Sei l lKinge ist darin die ächl epphblie
bzw. Flughübe von der Sclilelirrescliwiriciii;kei t bscw. Wiridstürite unabhiingig,
d.h. konstant. Da mit der c>rfirndunf;sf;cm:@li vorgrschlagenen Konfiguration Gleitzahlen
W/A-@1/4 erreichbar sind, würde sieh in diesem Beispiel ein sehr steiler Seilifiiilcel
6o und gr&tlc=r~ einstellen.
fioristrukti oris[iewiclit
e
Die KonetruktionagewicIite sind bei der erfindunt;sl;rmiiß
Vorgeschlagenen druckgastjastiitzteri üonfiguration selig riicdr 1t;. f:io
sind abhängig von dem verfügbaren Folierinmiterfal und den ;:il bchei-rschencien
Vindgeschwindigkei t en. Für Flugkörper bi e rir a- 1 in` tragender Flüche bind
Strukturgewichte von etwa 15(1 E;/m` realisierbiir., die den Flug
bereits hei Wind- oder Schlupligc=sc-hwIndil;-kPiten von -G 2 m/8 selbst unter Vc.,rwc-ricluril;
vorn Luft als F'iill-1;:is erni-glichen. Größere Gerlitu mit 10 11ia 30 m2
tragcricier l'liiclie dürften flüchengewichte von etwa Out) g/m2 er-tcrdern und
bei
Mindestgeschwindigkeiten von ca. 3 m/s
noch startfühie sein. Die
notwendigen Gasdrücke sind bei
kleinen und großen Flugkörpern alinlich und mit @;rüßenordnungsmäßig
300 bis 500 mm WS anzusetzen.
Gegenüber "klassischen" Drachenkonstruktionen
sind folgende Vor-
teile anzuführent " Geringeres Strukturgewicht
Gute
Aerodynamik mit kleineren Seilkräften und
steilerem Seilwinkel
# Annähernd
konstanter Auftriebsbeiwert über den
ganzen Flugbereich # Aerodynamische
higenstabilität um alle 3 Achsen
# Veewendungsmöglichkeit
in weitem Geschwindig-
keitsbereich wegen Anpassungsfähigkeit
an die
Windstärke # Verpackung auf kleinem Raum bei leichter Entfaltbarkeit.
Bei Verwendung von Traggast # Konstante flughohe unabhängig
von der Windge-
schwindigkeit
Leichter Start aus Schwebezustand heraus.