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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vermeiden von
Blitzschla- und dadurch hervorgerufenen Beschädigungen an Teilen von aeronautischen
Fahrzeugen, die mit einer relativ scharfen vorderen Kante ausgebildet sind und dünne,
metallische, mit der Masse des aeronautischen Fahrzeugs elektrisch verbundene Leiter
zum Ableiten des Blitzstromes aufweisen.
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Moderne Flugzeuge haben eine ganze Anzahl von Teilen, die bejonde-rs
gefährdet sind, durch Blitzschlag getroffen zu werden, wie der Rumpf, die Tragflächen,
die Leitwerkanordnung und äußere Treibstofftanks. Meistens treffen Blitzschläge
auf die Vorderkanten oder Leitkanten dieser Teile. Blitzschläge sind geeignet, so
intensive Konzentrationen von elektrischer Energie zu erzeugen, daß der Fahrzeugteil,
auf den sie treffen, physikalisch durchlöchert und bzw. oder durch überhitzen beträchtlich
beschädigt wird. Dementsprechend sind Blitzschläge besonders gefährlich, wenn der
getroffene Teil ein Treibstofftank oder ein anderer Treibstoff enthaltender Fahrzeugteil
ist, weil der Treibstoff bzw. das Treibstoff-Gasgemisch in dem getroffenen Fahrzeugteil
durch den Blitz entzündet werden kann.
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Bekannt sind Einrichtungen zum Verteilen bzw. Vermeiden elektrostatischer
Aufladungen, wie sie beim Durchfliegen von Schnee- und Eiskristalle enthaltenden
Luftmassen auftreten. Solche Einrichtun-Cren können aus auf elektrisch nicht leitender
Flugzeug-Außenhaut aufgebrachten elektrischen Leitern bestehen (vgl. USA.-Patentschrift
1419 261). Es ist aber auch bekannt, an vorderen Kanten von Flugzeugen
einen dünnen Belag aus solchem elektrisch leitfähi-en Material aufzubringen, das
sich mit der anderen Polarität wie die übri-en Teile der Flugzeugaußenhaut elektrostatisch
auflädt, so daß ein ständiger elektrischer Stromfluß eintritt, der die elektrostatische
Aufladung eliminiert (vgl. USA.-Patentschrift 2 616 638). Bei Radomen, also
solchen meist domartigen Wandteilen von Flugzeugen, hinter welchen Antennen für
die verschiedenen elektrischen Navigations- und Nachrichtenübermittlungssysteme
angeordnet sind. wie sie in modernen Flugzeugen benutzt werden, ist bereits vorbekannt
geworden, einen dünnen, nur in geringem Maß elektrisch leitfähigen Belag vorzusehen,
da elektrisch gut leitfähige Beläge die Antennen nach außen abschirmen würden (vgl.
Electronics, Januar 1964, S. 134 und 135).
Die verschiedenen bekannten
Einrichtungen zur Vernneidung elektrostatischer Aufladung sind aber nicht als Schutz
gegen Blitzschläge geeignet, da diese Einrichtungen nicht in der Lage sind, die
bei Blitzschlägen auftretenden beträchtlichen elektrischen Enerc'ieinen-en aufzunehmen
und abzuleiten. Für Radome ist auch bekannt, einzelne Metallstreifen auf der Radom-Außenfläche
in Art eines Faradayschen Käfigs anzubringen (v el gl. USA.-Patentschrift 2
982 494-Re 25 417) und mit metallischen Außenhautteilen des Flugzeugs
zu verbinden. Diese Metallstreifen sollen aber die Charakteristik der hinter dem
Radom angeordneten Antennen nicht wesentlich be-
einträchtigen. Auf diese
Weise wird zwar ein gewisser Blitzschutz erzielt, der aber nur eine Ergänzung bildet,
da Radonie von vornherein aus Material mit hoher Elektrizitätskonstante, wie beispielsweise
Acrylharz u. dgl. und mit dom- bzw. kuppelartiger abgerundeter Form ausgebildet
werden, die im Gegensatz zu Kanten nicht in besonderem Maß blitzschlaggefährdet
ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige,
verbesserte Blitzschutzeinrichtung zu schaffen, die für durch Blitzschlag gefährdete
Teile des Fahrzeugs geeignet ist, und hohe, intensive elektrische Energiekonzentrationen
aufnehinen kann, wie sie bei Blitzschlag auftreten. Außerdem sollen die Blitzschutzeinrichtungen
auch hohen Oberflächentemperaturen, wie sie bei schnell fliegenden Flugzeugen, insbesondere
im Bereich von Vorderkanten auftreten, und bei auftreffenden Blitzschlä,-en noch
wesentlich erhöht werden, widerstehen und einen elektrisch leitenden Weg zu einer
die elektrische Ladung verteilenden Fläche bilden. Es soll mit Sicherheit vermieden
werden, daß die unter der Blitzschutzeinrichtung liegenden Teile der Fahrzeu-Wand
bei Blitzschlag durchschlagen werden. Insbesondere soll die Blitzschutzeinrichtung
auch zum Schutz metallischer Fahrzeugteile eignet sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf das zu
schützende Fahrzeugteil 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
ist, über den der metallische Leiter gelegt ist, der ebenfalls als Belag
zur Verteilung der elektrischen Ladung ausgebildet ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn sich der auf den
isolierenden Belag aufgelegte, metallische Belag in an sich bekannter Weise über
den elektrisch isolierenden Belag hinaus erstreckt und unmittelbar mit dem elektrisch
leitfähigen Teil des die Kante enthaltenden Fahrzeugteils als Masseschluß verbunden
ist.
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Zumindest der elektrisch leitfähige Belag, gegebenenfalls aber auch
beide, d. h. der elektrisch leitfähige und der elektrisch isolierende Bela,
j, können in an sich bekannter Weise in -eschmolzener Form, beispielsweise im Flammspritzverfahren
auf den zu schützenden Teil aufgebracht werden. Dies ermög-
licht die Benutzung
von Materialien, die sonst nicht auf die Außenhaut von Flugzeugen aufgebracht werden
können und macht es möglich., eine sehr viel bessere mechanische Bindung zu erzeugen
und eine genauere Kontrolle der Dicke und Homogenität der Beläge sicherzustellen,
als es sonst möglich wäre.
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Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Blitzschutzeinrichtun(T
gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine Schicht aus mindestens einer Lage von
temperaturbeständigem, verstärktem bzw. gefülltem aushärtbarein Kunststoff auf dem
zu schützenden Teil angebracht und zunächst an ihrer Außenfläche mit einer dünnen
Zwischenschicht aus elektrisch leitfähi-em Material belegt und dann zur Bildung
des elektrisch isolierenden Belages ausgehärtet wird und daß der eigentliche elektrisch
leitfähige Belag nach dem Aushärten des elektrisch isolierenden Bela-es auf der
vorher erzeu-ten elektrisch leitfähigen Zwischenschicht angebracht wird. Bei mehrlagigem
Aufbau der elektrisch isolierenden Schicht können diese Lagen nacheinander aufgebracht
und ausgehärtet werden, wobei die letzte Lage vor dem Aushärten mit der dünnen Zwischenschicht
aus elektrisch leitfähigem Material belegt wird. Auf diese Weise läßt sich eine
besonders feste Bindung zwischen dem elektrisch isolierenden Belag und dem elektrisch
leitfähigem
Belag erzielen. Das vor dem Aushärten des verstärkten bzw.gefülltenisolierendenKunststoffmaterials
aufzubringende elektrisch leitfähige Material der Zwischenschicht kann in einer
Dicke von etwa 0,1 mm vorgesehen werden. Der nach dem Aushärten des Kunststoffbelages
endgültig aufzubringende eigentliche elektrisch leitfähige Belag kann beispielsweise
in einer Dicke von etwa 0,5 bis 1,3 mm vorgesehen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung
eines Flugzeuges mit Teilen solcher Art, wie sie gegen Blitzschlag geschützt werden
sollen, F i g. 2 eine Seitenansicht eines Tragflächen-Außentankes an einem
Flugzeug nach F i g. 1, der gegen Blitzschlag geschützt ist und F i
g. 3 einen Schnitt durch den Treibstofftank nach F i g. 2 nach der
Linie 3-3 dieser letzteren Figur. In der Zeichnung zeigt F i g. 1
ein Flugzeug 10, das gegen Beschädigung durch Blitzschlag geschützt werden
kann. Unter den Teilen des Flugzeuges 10, die am meisten dazu neigen, durch
einen Blitz getroffen zu werden, sind die Tragflächen-Außentanks 12 (s. auch F i
g. 2). Blitze, die auf solche Tragflächen-Außentanks 12 schlagen, sind besonders
gefährlich, weil sie diese Tanks beschädigen und den im Tank vorhandenen Treibstoff
entzünden können.
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Um solche Tragflächen-Außentanks 12 gegen Beschädigung durch Blitzschlag
zu schützen, ist zunächst eine dünne Lage 14 aus elektrisch isolierendem Material
(s. F i g. 3) auf den vorderen Bereich jedes Tanks aufgebracht, um ihn gegen
Hitze und physikalische Beschädigung zu schützen, die durch die intensiven Konzentrationen
elektrischer Energie bei Blitzschlag hervorgerufen werden können. Das elektrisch
isolierende Material ist im Rahmen der Erfindung in einer Schicht von etwa
0,5 bis zu etwa 1 bis 1,5 mm Dicke aufgebracht. Die Dicke dieses
Belages kann, wenn für besondere Anwendungsfälle erforderlich, auch über diesen
Bereich hinaus variiert werden.
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Für einen typischen Tragflächen-Außentank erstreckt sich der isolierende
Belag von der Spitze des Tanks nach rückwärts auf eine Länge von annähernd etwa
90 cm. Diese Länge kann, abhängig von der Größe, der Form usw. des Tanks
bzw. des anderen zu schützenden Flugzeugteiles, variieren.
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Ein geeignetes Material für den Belag 16 ist reingradiges Aluminiumoxyd,
das gegen extrem hohe Temperaturen beständig ist und hervorragende elektrisch isolierende
Eigenschaften aufweist. Es können auch, wenn erwünscht, andere keramische Materialien
mit ähnlichen Eigenschaften wie Chromoxyd oder Zirkoniumoxyd benutzt werden.
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Der keramische Belag wird durch Flammspritzen aufgebracht, um eine
feste mechanische Bindung zwischen dem keramischen Material und der Oberfläche zu
schaffen, auf die es aufgebracht wird, um ferner eine homogene Lage des Belagmaterials
auf dem zu schützenden Teil zu erzielen und außerdem eine genaue Kontrolle für die
Dicke des aufgebrachten Materials zu schaffen.
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Im Flammspritzprozeß wird das Belagsmaterial in geschmolzene Teilchen
überführt, und diese geschmolzenen Teilchen werden mit hoher Geschwindigkeit gegen
die zu beschichtende Oberfläche bewegt. Die Teilchen werden dann an der Oberfläche,
wo sie auftreffen, fest und haftend angedrückt. Einzelheiten der Flammspritz-Beschichtung
sind bekannt.
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Anderes geeignetes Material für den Belag 16 sind mit Epoxyharz
imprägnierte Glasfasern. Ein solcher Belag ist gegen hohe Temperaturen beständig
und hat gute elektrische Isolationseigenschaften. Dieses Material ist auch an sich
bekannt. Es können auch andere bewehrte oder gefüllte Kunststoffmaterialien mit
ähnlichen Eigenschaften benutzt werden, wenn dies erwünscht ist (s. the Modern Plastics
Encyclopaedia 1967).
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Diese Art von isolierendem Material kann durch Auflegen auf den zu
schützenden Teil aufgebracht werden (die Bezeichnung »Auflegen« bedeutet in Verbindung
mit bewehrten bzw. gefüllten Kunststoffen Ausschneiden des Materials und Auflegen
auf den zu schützenden Teil in derjenigen Lage, in der die Kunststoffschicht gebunden
werden soll). Der zu schützende Teil wird dann in herkömmlicher Weise eingehüllt
und in einen Ofen gebracht, wo er auf Temperaturen in der Größe von etwa
150' C erhitzt wird, um das Harz auszuhärten. Gleichzeitig wird die
Hülle, in die der Flugzeugteil eingehüllt worden ist, evakuiert. Dadurch werden
Luftblasen aus dem isolierendem Material entfernt und es wird ein Druck erzeugt,
der das Material dicht gegen den zu schützenden Teil drückt, um die Erzeugung einer
guten Bindung zu unterstützen. Mit Glasfaser gefülltes Epoxyharz bzw. mit Epoxyharz
imprägnierte Glasfaserschichten, wie sie in Verbindung mit der Erfindung bevorzugt
benutzt werden können, sollen in einer Dicke in der Größe von 0,25 mm benutzt
werden. Je nach der gewünschten Dicke der isolierenden Schicht werden dann mehrere
Felle solcher Dicke übereinander aufgebracht.
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Jedes darauffolgende Fell aus isolierendem Material wird dann in der
oben beschriebenen Weise auf der vorhergehenden Lage gebunden. Dies wird vorgesetzt,
bis die isolierende Auflage bis zu der gewünschten Dicke aufgebaut ist. Wenn erwünscht,
kann die Oberfläche dieser Lage dann geschmirgelt, geschliffen, poliert oder in
anderer Weise behandelt werden, um eine glatte Oberfläche zu schaffen. In Verbindung
mit dem oben beschriebenen, ist es nicht wesentlich, daß das Harz und das verstärkende
Material gleichzeitig aufgebracht werden. Diese Komponenten der isolierenden Lage
können auch getrennt in irgendeiner, der bekannten Arbeitsweisen aufgebracht werden.
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Schließlich wird ein dünner Belag aus Aluminium oder anderem elektrisch
leitfähigem Material auf das aufgelegte isolierende Material aufgebracht, vorzugsweise
durch Aufspritzen. Dieser Belag wird ausreichend dick gemacht, um das isolierende
Material vollständig abzudecken, so daß das Harz in der isolierenden Auflage nicht
beim Aushärten des Harzes durch den Metallbelag blutet. Beispielsweise kann eine
Dicke der Metallauflage von etwa 0,1 mm ausreichend sein, wozu allerdings
diese Dicke auch abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall variiert werden kann.
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Nach dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Auflage wird der Flugzeugteil
entsprechend der Gummisackmethode eingehüllt und die Hülle evakuiert. Bei fortschreitendem
Aushärtungsvorgang fließt zunächst der isolierende Kunststoff in Berührung mit der
Rückseite der elektrisch leitfähigen Auflage
und um die Teilchen
dieses elektrisch leitfähigen Materials. Danach härtet das Harz in Berührung mit
der Auflage und um die Teilchen des leitfähigen Materials aus und schafft so eine
feste mechanische Verbindung zwischen der Auflage aus elektrisch leitfähigem Material
und der isolierenden Schicht.
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Danach wird ein Belag 16 aus leitfähigem Material, beispielsweise
reinem Aluminium auf die isolierende Schicht aufgebracht. Diese Schicht ist normalerweise
etwa 0,5 bis 1,3 mm dick, kann aber für besondere Anwendungsfälle
über diesen Bereich hinaus variiert werden.
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Bei dem bevorzugten Verfahren zum Aufbringen einer oben beschriebenen
Glasfaser- oder ähnlichen isolierenden Schicht kann die elektrisch leitfähige Schicht
nicht aufgebracht werden, bevor das Harz ausgehärtet ist. Dies deshalb, weil die
vorläufige Beschichtung mit leitfähigem Material dünn sein muß, um eine feste mechanische
Verbindung zwischen der leitfähigen und der isolierenden Schicht zu erzielen.
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Durch die neuartige Arbeitsweise, in der das elektrisch leitfähige
Material in dieser Ausführungsform auf dem isolierenden Material angebracht wird,
läßt sich eine feste Verbindung zwischen der isolierenden Schicht 14 und der elektrisch
leitfähigen Schicht 16
erreichen. Dies ist in hohem Maß wünschenswert, weil,
wie oben erläutert, die Widerstandsfähigkeit dieser Verbindung für die praktische
Arbeitsweise der Blitzschutzeinrichtung von wesentlicher Bedeutung ist.
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Wie in F i g. 3 gezeigt, ist der elektrisch leitfähige Belag
oder Schicht 16 über das isolierende Material 14 hinaus erstreckt und mit
der Außenhaut 18 des Tragflächenaußentanks 12 verbunden. Dadurch wird ein
leitfähiger Weg geschaffen, über den die durch einen Blitzschlag am Tragflächenaußentank
12 erzeugte elektrische Ladung in eine, die Ladung verteilende oder abgebende Fläche
abfließen kann. Im dargestellten Beispiel kann die, die Ladung verteilende und abgebende
Fläche die Außenfläche der Tragflächenaußentanks 12 und zusätzlich die Außenflächen
der Tragflächen 20 des Rumpfes 22 und der Elemente der Leitflächenanordnung 24 des
Flugzeugs 10 einschließen, was eine schnelle Verteilung und Ableitunu der
Ladung möglich macht.
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Dij schnelle '\Terteilung und Ableitung der elektrischen Ladungen
längs der leitfähigen Schicht 16
zusammen mit der Widerstandsfähigkeit gegen
Hitze und andere physikalische Beschädigung durch solche Ladungen, wie sie durch
die Schicht 14 erzielt wird, kombinieren sich zu einer Wirkung, die verhindert,
daß selbst hochintensive elektrische Ladungen Schä-
den an dem geschützten
Flugzeugteil bzw. den geschützten Flugzeugteilen hervorrufen. Dementsprechend wird
durch diese Kombination von keramischen und leitfähigen Schichten ein hochwirksamer
Schutz gegen Blitzschläge geschaffen.
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Die äußere leitfähige Schicht 16 wird beispielsweise durch
das gleiche Flammspritzverfahren, wie die keramische Ausführung der isolierenden
Schicht 14, aufgebracht. Durch die Benutzung dieses Flammspritzverfahrens kann eine
außerordentlich gute mechanische Verbindung zwischen den beiden Schichten erzielt
werden. Im Fall einer keramischen isolierenden Schicht kann die Dicke und die Homogenität
dieser Schicht innerhalb enger Toleranzen gesteuert werden. Gleich der isolierenden
Schicht kann auch die leitfähige Schicht, wenn gewünscht, an der Oberfläche behandelt
werden, um den gewünschten Grad von Oberflächenglätte zu erzielen. Im Fall von Überschallflugzeugen
kann die Außenfläche des Flugzeuges Temperaturen annehmen, die sich dem Schmelzpunkt
des reinen Aluminiums nähern. Dementsprechend bei Anwendungen der Schutzeinrichtung
an Überschallflugzeugen ist ein leitfähiges Material mit höherem Schmelzpunkt, beispielsweise
eine Nickelchromleggierung an Stelle von Aluminium in der äußeren Schicht16 zu benutzen.
Aluminiumoxyd und andere Materialien, wie sie in der inneren Schicht 16 bevorzugt
werden, sind dann entsprechend zu wählen, daß sie den an der Außenfläche von Überschallflugzeugen
auftretenden Temperaturen widerstehen.
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Außer den Tragflächenaußentanks 12 sind auch andere Teile des Flugzeuges
blitzschlaggefährdet. Diese Teile enthalten den Rumpf 22, die Tragflächen 20 und
die Elemente der Leitwerksanordnung 24. Diese Teile können in der gleichen Weise
wie die Tragflächenaußentanks 12 gegen Beschädigung durch Blitzschlag geschützt
werden.
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Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, kann der Erfindungsgedanke
auch in gleicher oder enstprechender Weise an anderen Außentanks angewandt werden,
beispielsweise Pylontanks und Abwurftanks. Außerdem ist die Erfindung nicht nur
an Flugzeugen, sondern auch in entsprechender Weise an anderen aeronautischen Fahrzeugen
anwendbar.