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Fliehkraftabhängige Einstellautomatik zusammengesetzter Propeller-,
Ventilator- und Hubschrauber-Flügel Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem
neuen Prinzip der selbsttätigen Flügelversteifung durch Fliehkraftwirkung und mit
den damit zusammenhängenden oder zusäbSichen funmentalen Ergebnissen, vorwiegend
auf dem Gebiet der Festigkeit, der wesentlichen Gewichtsersparung, der günstigen
Preisgestaltung hinsichtlich der Bauelemente einfacher Ausführung und schließlich
der Möglichkeit höchst interessanter Raumersparnis durch Reduzierung der ursprünglichen
Flügelweite im Arbeits-bzw. Drehzustand, gegebenenfalls sogar der Zusammenrollung
des ganzen Flügels auf einen unbedeutend geringen Raum.
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Gemäß dem Stande der Technik bemüht man sich grundsätzlich, die Propeller-
und Hubschrauberflügel besonders steif und fest auszuführen, damit vorwiegend die
Kräfte des Druckes unter den Flügeln bzw. des Soges über den Flügeln keine unzulässigen
Biegebelastungen auf den Querschnitt der Befestigung am Nabenkörper ergeben.
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Man berücksichtigt zwar die Fliehkraftwirkung im Hinblick auf besondere
Notwendigkeiten der Zusammenklappung nach oben bzw.
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nach der Seite, aber weitere Konsequenzen erscheinen bisher wohl als
unmöglich, was zunächst durchaus naheliegend zu sein scheint.
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Bs sind sogar, äußerlich dem Prinzip der Erfindung ähnlich, Ausführungen
von Hubechrauberflügeln bekannt, die aus einer Anzahl von Plügelelementen kettenartig
zusammengesetzt sind, um ziehharmonikaartig im louhezustand zusammengelegt zu werden,
also auch um ltaum zu sparen.
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Immerhin wird auch hier zu der Zentrifugalwirkung bewußt eine Verspannung
der elemente gegeneinander und damit das alte Prinzip der lsiegesteifigkeit in noch
ungUnstiererer Form verwirklicht. Dagegen wird durch die vorliegende 1erfindung
völlig oder weitiehend eino gelenkartige Wirkung zwischen den einzelnen
Flügelgliedern
oder eine weitgehende Elastizität des zentralen Zugorganes im Sinne einer kraftbelasteten
Kettenlinie vermieden.
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Insofern ist es von Bedeutung für die bisher ungelösten Anwendungsprobleme,
den ungewöhnlichen Gedankensprung des Prinzips und der Elementarvorgänge im Rahmen
der vorliegenden Brfindung zu erkennen.
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Die Erfindung ist anhand der Abbildungen 1 bis 13 schematisch dargestellt.
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Die Abb. 1 und 2 zeigen den Seitenriß und Aufriß eines beispielsweise
dargestellten Propeller- bzw. Eubschrauber-Flügels. Hierbei wird besonders zum Ausdruck
gebracht, daß die beiden Flügelseiten 1 und 2, die an den Nabengelenken 3 und 4
gelenkig schwingbar befestigt sind, im Drehzustand unter dem Einfluß der Kräfte
des Mediums (Luft oder Flüssigkeit) 5 und 6 einerseits und der Zentrifugalwirkung
7 und 8 andererseits stehen.
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Betrachtet man den rechten Flügel, so muß sich um den Drehpunkt 4
ein Gleichgewicht zwischen dem nach links drehenden Moment der resultierenden Hubkraft
6 und dem nach rechts drehenden Moment der Zentrifugalkraft 8 einstellen. Der Flügel
wird sich also unter einem ganz bestimmten und von der jeweiligen Drehzahl abhängigen
Winkel gegenüber der Horizontalen einstellen, der außerdem noch von dem Anstellwinkel
des Profils selbst gegenüber der Horizontalen abhängig ist.
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Es ist naheliegend, von diesem Gedanken aus nunmehr verschiedene Hubge
s chwindigkeiten, je nach blotorleistung und Strömungsvorgang festzulegen, Unabhängig
von der selbsttätigen Einstellung eines Cleichgewichts um den Gelenkpunkt 4 herum
ergeben sich jedoch noch viele weitere
und recht erstaunliche Auswirkungen.
Die Zentrifugalkraft 8 wirkt im Sinne der Längs streckung der Flügelseite nach außen.
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Dabei kann diese Zentrifugalkraft je nach Bedarf und Belieben durch
eine zusätzliche Masse 10 (bzw. 9 links) vergrößert werden.
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So kann man sich vorstellen, daß zwischen den Punkten 4 und 10 die
Flügelhälfte nach Erreichung des Gleichgewichtszustandes eillgespannt wäre und von
unten durch die Ilubkräfte der Luft (bzw. der Flüssigkeit) 6 gleichmäßig belastet
würde. Wenn nun der Flügel, wie gezeichnet, in Längsrichtung aus vielen kleinen
oder genügend kleinen Elementen zusammengesetzt ist, so muß sich dieser zwangsläufig
in der Form einer "Kettenlinie" einstellen.
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Je größer die.Zentrifugalkraft 8 bzw. die Masse 10 wird, desto mehr
wird der Flügel auseinandergezogen, so daß er sich der Form einer geraden Linie
nähert.
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Aus dieser Betraclltung heraus ist zu entnehmen, daß der Flügel in
Längsrichtung überhaupt nicht mehr von der Biegesteifigkeit bzw. fliegefestigkeit
abhängig ist und insofern geradezu keinerlei feste Biegeliolme mehr benötigt, so
daß man sich lediglich IlOCil auf die Festigkeit des eigentlichen Flügelprofils
und dessen bestmögliche Ausbildung beschränken kann.
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Voraussetzung für die betrachtete Gleichgewichtswirkung ist natürlich
die erreichung einer gelenkigen Verbindung zwischen den einzelnen Flügelelementen
bzw. Kettengliedern in Längsrichtung.
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lJiese bedingung ist jedoch durch elastische Zwischenglieder, Federn,
Gummischeiben, Gummipuffern und dgl. bei gleichzeitiger Verwendung eines nach Bedarf
zentralen oder mehr nach der oberen oder unteren profilseite liegenden, flexiblen
und in sich sehr festen Zugorganes, beispielsweise des Zugorganes 12 (oder 11),
praktisch gut genug zu verwirklichen.
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Aus Abt. 2, der Ansicht von oben, ist ferner schematisch zu entnehmen,
daß die Flügelseiten sich nicht um die Gelenke 3 und 4 in der horizontalen Ebene
drehen können, sondern zwangsläufig von der Antriebswelle 13 in Drehrichtung mitgenommen
werden müssen.
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Dies ist jedoch keineswegs Bedingung. Vielmehr ist es im Falle der
Entlastung der Nabenquerscimitte gegebenenfalls sehr bedeutungsvoll, die Gelenke
3 und 4 als Art Kreuzgelenke auszubilden, wobei lediglich die Anstellung bzw. der
Anstellwinkel des Flügelprofils beibehalten wird. Aber auch sogar dieser Anstellwinkel
des Flügelprofils kann bei Bedarf in Abhängigkeit von der Hubkraft oder der Zentrifugalkraft
bzw. direkt von der Drehzahl, gegebenenfalls unter Gegenwirkung einer Rückstellfeder
bzw. eines Kopplungsmechanismus gebracht werden. Immer wieder wird sich jede dieser
genannten Einstellungen selbsttätig in Abhängigkeit von der Hubkraft, der Zentrifugalkraft
bzw. direkt der Drehzahl des gesamten Flügels ergeben müssen. Damit wird ein großer
Teil der bisher üblichen und oft sehr großen und teuren Biegequerschnitte vermieden
und die Sicherheit des Systems durch besonders günstige und kräftige Gestaltung
des inneren Zugorganes wesentlich erhöht.
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Hervorzuheben ist ferner, daß allgemein jeder Biegequerschnitt auf
der einen Seite eine Druckbeanspruchung haben muß, wogegen nur auf der anderen Seite
eine Zugbeanspruchung vorliegt. Bei der Notwendigkeit der Gewichtsersparnis kommt
man daher auf der Druckseite allzu leicht in das Gebiet der nickbelastung, was äußerst
gefährlich ist.
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Es ist sehr beachtenswert, daß die Vermeidung dieser ltnickgefahr
auf der Druckseite des Profils nunmehr durch Bildung der ettenlinie restlos vermieden
wird, also auch innerhalb der Flügellänge und nicht nur am sogenannten "gefährlichen
Querschnitt", an der Nabe.
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Theoretisch ließe sich diese Entlastung durch Kettenlinienbildung
im Falle des weiteren Freiheitsgrades in der horizontalen auch hier erreichen. Dann
müßte allerdings die Konstruktion eine gelenkige EIochlcantbewegung der Profilelemente
vorsehen, was nicht immer einfach erreichbar sein dürfte. Das innere Zugorgan würde
dann eine zweidimensionale ettenlinienform aufweisen müssen.
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Beschränkt man sich zunächst auf die eindimensionale Kettenlinienform
in
einer Ebene parallel zur Antriebswelle 13, so ist aus Abb. 3 ein Flügelprofil zu
entnehmen, das etwa dem der E-lemente der Abb. 2 entspricht (diese von oben gesehen).
Dabei stellt 14 das innere Zugorgan dar, das beispielsweise eineelastische Flachfeder
oder sogar eine aus mehreren Flachfedern (zu einem Federpaket) zusammengesetzte
Flachfeder sein kann.
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Die Zusammensetzung aus mehreren übereinander liegenden Flachfedern
hat den großen Vorteil leichterer Flexibilität wesentlich zu beeinflussen. Das Zugorgan
kann durch eine Hülle bzw. Beschichtung 15 kompakt zusammengehalten werden. Uber
und unter dem Zugorgan 14, das alle Flügelelemente in Längsrichtung durchquert,
können sich entweder ebenfalls in Längsrichtung hindurchgehende andere Zug- oder
Pufferorgane bzw. lediglich auf die einzelnen Flügelelemente beschränkte feste oder
elastische Führungs- bzw. Formgebungsorgane 16 und 17 befinden. Das übrige Flügelprofil
braucht im wesentlichen nur noch in seiner Profillänge auf genügende Festigkeit
hin konstruiert zu werden. Wegen der jeweils geringen Flügeltiefe des Einzelelementes
in Längsrichtung des Flügels ist die Gefahr der Knickwirkung so gut wie ausgeschlossen.
Vorwiegend können sich die etwa elastischen Zwischenelemente 16 und 17 als Kupplungselemente
zwischen den Flügelelementen günstig auswirken.
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Das Profil, gemäß Abb. 3, kann auch einen Gesamtflügel, gemäß Abb.
5, mit nach außen geringer werdender Profillänge ergeben, wobei ferner der ganze
Flügel zwar nicht aus Einzelelementen zu bestehen braucht, aber in seiner Struktur
elastisch oder verformbar genug ist, um dem Gleichgewichtszustand der erwähnten
Kettenlinie zu folgen. In diesem I<all würden etwa die Gummiprofile 16 und 17
auf der ganzen Länge des Flügels Abb. 5 trotz Einhaltung der jeweiligen Kettenlinienform
die Beibehaltung der Profilhöhe gewährleisten.
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Ferner können diese Elemente 16 und 17 auch einseitig starr bzw.
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elastische seitl und dadurch eine bestimmte und gewollte Längsverfoflflun:r
der 1'lu'';clseiten erzwinj';en, sowohl im belasteteii Zustand bei voller Drehbewegüng,
als auch im unbelasteten Zustand.
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Ein Zugorgan 14, das beispielsweise in Spiralrictltun,; vorgeformt
und gleichzeitig biege-elastiscilt also federnd, ist, bzw. ein
einseitig
eingelegtes Zugorgan in Verbindung mit einem Druckfederorgan auf der Profilgegenseite
(etwa 16 oder 17), könnte im Ruhezustand ein Zusammenrollen des ganzen Flügels ermöglichen,
und damit Platz sparen, wie es aus den Abbildungen 7, 8, 9, 12 und 13 hervorgeht.
In Abb. 7 wird dabei gleichzeitig gezeigt, daß man ein Fahrzeug über dem Dach mit
solchen zusammenrollbaren Hubschrauberflügeln versehen kann. Abb. 4 stellt ferner
ein Flügelelementprofil dar, däs im Gegensatz zu Abb. 3 kein Flachfedersystem als
Zugorgan sondern ein Zugkabelsystem von beispielsweise 5 Zugkabeln aufweist. Dieses
Zugkabelsystem ist noch einmal in dem abgedeckt gezeichneten Aufriß in Abb. 6 zu
sehen. Das Prinzip ist das gleiche wie bisher. Die bessere Flexibilität der aus
vielen Stahldrähten oder hochfesten Kunststoffsträngen zusammengedrehten Zugkabel
kann der Grund für die Wahl eines solchen Systems sein. Bin solches System hätte
ferner den Vorteil einer universalen Verwendung auch bei der erwähnten zweidimensionalen
Verformung des Flügels in Längsrichtung. Da in diesem Fall, wie übrigens auch bei
der eindimensionalen Verformung, keine Verwindung des Profils im Verlauf der Längsrichtung
erwünscht bzw. zulässig ist, so können anstelle der normalen Zugkabel die verwindungslosen
biegsamen Wellen" ausgezeichnete Dienste leisten, da sich die Torsionsmomentbelastung
der einzelnen biegsamen Wellen addiert.
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Zusätzlich können die Profilelemente im Sinne der Momentübertragung
kupplungsartig miteinander verbunden werden. Sowohl in Abb. 5 als auch in Abb. 6
sind die zur Erhöhung der Zentrifugalkraft vorgesehenen Massen 18 und 19 zu erkennen.
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Eine weitere Erscheinung bei der Drehbewegung zusammengesetzter Propeller-
oder Ilubschrauberflügel ist die Tatsache, daß alle Elemente nach außen fliegen
und ein Element das andere zusätzlich von innen nach außen belastet. Die dadurch
entstehende Flächenpressung zwischen den auf dem Zugorgan gleitenden 1ügelelementen
wird nach außen hin gemäß einer stark ansteit,ex en Funktion größer und erlaubt
insofern interessante Formgebungskonstruktionen im Sinne der strömungstechrliscil
zweckmäßigen Längsverformung des Fltigels.
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In Abb. 6 ist insofern bewußt ein Spalt 20 zu erkennen, der
dadurch
entsteht, daß alle Elementarprofilstücke nach außen geflogen sind und sich im Sinne
der erwähnten Formgebung zusammenpressen, wobei die Zugorgane bzw. die hier verwendeten
5 Zugkabel vollkommen frei liegen und nur die beschriebene Zugwirkung nacll Erreichung
des "Gleichgewichtszustandes" auszuüben haben.
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Der ganze Flügel dreht sich um den Punkt 21, der dem Mittelpunkt der
Antriebswelle entspricht. Dabei kann der Flügel unter der Wirkung der llubkräfte
bzw. der Zentrifugalkraft um die Achse 22 nach oben oder nach unten geschwenkt werden.
Wenn die Achse 22 nach unten hin noch einen weiteren Gelenkpunkt im Sinne eines
Kreuzgelenkes besitzt und den ganzen Flügel eine Schwenkbewegung um eine Achse senkrecht
zur Zeichenebene, aber möglichst weit von dem Wellenmittelpunkt 21 entfernt, machen
läßt, so bewegt sich der Flügel noch zusätzlich in einer Ilorizontalebene, wodurch
eine weitere Entlastung der Nabenquerschnitte entsteht.
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Erst eine zusätzliche Horizontalschwenkung der einzelnen Flügelelemente
zueinander würde die erwähnte und nicht immer ganz einfach zu realisierende zweidimensionale
Kettenlinienverformung des Flügels in Längsrichtung ergeben.
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Die Abbildungen 8 bis 13 stellen~verschiedene Ausführungsmöglichkeiten
beispielsweise -und schematisch dar.
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In Abb. 8 sind die Teile 23, 24 und 25 Längsschnitte der Elementarflügel,
wobei es sich um eingesetzte und um die Kugeln 26, 27 und 28 schwenkbare Rohrstücke
im Inneren der Flügelelemente handeln kann. In dem Mall einer solchen Ausführung
der Kopplung von Flügelelementen ist eine gute Zentrierung der Teile zueinander
garantiert, wobei das Zugorgan 29, beispielsweise ein Zugkabel oder eine biegsame
Welle, bei der Schwenkbewegung praktisch seine Länge beibehält. Auch ergibt sich
dann in jeder einmal erreichten Gleicilgewichtslage durch die große zusammengesetzte
Zentrifugalkraft als Summe der aufeinander wirkenden Flügelelemente eine starke
Uremskraft, die durch die Keilwirkung der Kugelgelenke noch verstärkt wird und somit
die Gleichgewichtsstabilität vorzüglich erhöht. Die Kugelgelenke sind ferner so
gebohrt, daß das Zugorgan innen auch noch bei einem beachtlichen Winkel sauber und
ohne kantenwirkung auf einer inneren Fläche
aufliegt.
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enn es sich nicht um Zugkabel handelt, sondern um Flachkabel oder
Flachfedern, wie in Abb. 1, 2, 3 und 4, so können gemäß Abb. 8 die Teile 23, 24
und 25 in einer gewissen Breite ausgearbeitete flache Teile bedeuten, die an den
Stirnseiten so ausgearbeitet sind, daß die Teile 26, 27 und 28 als Zylinder mit
den erkennbaren Querschnitten darin drehbar angeordnet sein können, wobei die Führungsausnehmungen
für das flache Zugorgan nunmehr ebenfalls Langlöcher sein müssen. Eine weitere Möglichkeit
dieser Art wäre die Verwendung von Kabeln als Zugorgan und Lagerung der Kugelgelenke
in flachen Teilen 23, 24, 25, die aber mehrere parallele Bohrungen 30, 31 und 32
haben und an den Stirnseiten über jeder dieser Bohrungen eingelassene Pfannenlager
zur Aufnahme der Kugelgelenke aufweisen.
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Die letztbeschriebenen Ausführungsmöglichkeiten mit Übergang von Rohrstücken
zu flachen Stücken einer gewissen Breite haben den großen Vorteil außerordentlicher
Verwindungsstabilität bei preiswerter Ausführung. Auch in Abb. 8 stellt das nach
außen fliegende Ende 33 die Iviasse dar, durch die die Zentrifugalkraft sinngemäß
vergrößert bzw. festgelegt werden kann. Wie bereits auf den vorhergehenden Abbildungen
gezeigt, wird der ganze zusammengesetzte Flügel mit einer nachgiebigen laut, Beschichtung
oder dgl., gemäß 34 überzogen.
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Es können auch übereinanderliegende Bleche oder Iiunststoffbeläge
sein, die vor allem eine Überlappung der Gelenkstücke bezwecken sollen.
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In Abb. 9 und 10 ist ganz schematisch gezeigt, daß eine Federeinlage
zwischen den Elementarflügelstücken interessante Möglichkeiten eröffnet.
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Durch eine spiralförmig vorgespannte Feder 35 als Zugorgan oder durch
einseitige Belastung der pufferartigen Zwischenfedern 36, 37, gegebenenfalls sogar
durch weitere einseitige Zugorgane kann erreicht werden, daß sich der im Ruhezustand
befindliche Flügel etwa gemäß Abb. 9, Abb. 12, Abb, 13 und Abb. 7 zusammenrollt.
Er rollt sich immer dann wieder auf, wenn der Fliigel angetrieben wird und die einzelnen
Flügelelemente durch die Zentrifugalwirkung im Sinne der Gegeneinanderpressung der
Flügelelement-Stirnflächen
nach außen fliegen und dadurch den
ganzen Flügel strekken. Dies ist außer an den Abb.1 bis 6 auch noch an der Abb.
10 zu erkennen.
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Abb. 11 stellt eine Erweiterung der Beispiele Abb, 9 und 10 dadurch
dar, daß hier zwei Elementarflügel durch eine Reihe hintereinanderliegender Federn
auseinandergedrückt werden und dadurch eine Flächenwirkung erzielt wird.
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Wichtig ist noch Abb. 13, in der eine Gummifeder oder ein sonstiges
elastisches Kissenelement 38 zwischen zwei Elementen zu liegen kommt, wie es etwa
in Abb. 3 durch die Teile 16 und 17 veranschaulicht wurde. Diese Elemente können
ebenfalls einseitig im sinne der Zusammenrollung des Flügels zur Wirkung kommen.
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Eine praktische Anwendung ist ganz schematisch in der Abb. 7 gezeigt,
bei der sicii über dem Dach eines Fahrzeuges ein Doppelflügel zusammengerollt hat,
so daß ein Fahrzeug nicht mehr durch die Platzverdrängung der Flügelweite auf die
Anbringung von zusätzlichen liubschrauberflügeln verzichten muß. Vielmehr können
die Flügelgestaltung und das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung wesentlich
zu der modernen Weiterentwicklung von Kraftfahrzeugen beitragen, wobei Kraftfahrzeuge
zugleich eine Hubschrauberfunktion ausüben und ohne Umstellung des Flügelsystems,
einfach durch selbsttätige Öffnung der zusammengerollten Flügel beim Start des eingebauten
llubschraubermotors oder bei Umschaltung des normalen Fahrzeugmotors auf den Ilubschrauberantrieb,
in einen zeitweiligen liubschrawlber verwandelt werden könnens