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Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit einer Gaszellenanordnung und einer Heißluftzellenanordnung, unter der ein Brenner zum Erhitzen der in der Heißluftzellenanordnung enthaltenen Luft angeordnet ist.
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Ein Luftfahrzeug dieser Art ist ein aerostatisches Flugsystem, das auch als Roziere bekannt ist. Es handelt sich dabei um einen kombinierten Gas-Heißluftballon, bei dem eine obere, ballonförmige Gaszelle mit einem Ventil ausgerüstet ist, über das ein beim Aufsteigen des Ballons in der Gaszelle sich entwickelnder Überdruck verringert bzw. ausgeglichen werden kann. Das Aufsteigen dieses Ballons wird durch den unter einer unten offenen Heißluftzelle angeordneten Brenner gesteuert, mit dem die Luft in der Heißluftzelle entsprechend einem vorgegebenen Steigen oder Sinken erhitzt wird. Eine horizontale Fortbewegung eines solchen Luftfahrzeugs wird durch Luftströmungen verursacht, in denen es passiv, d. h. ohne eigenen Antrieb, mitgeführt wird.
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Luftfahrzeuge nach Art einer Roziere werden hauptsächlich für Rekordfahrten eingesetzt, die kontinentübergreifend durchgeführt werden, denn mit dem aus einer Gaszelle und einer Heißluftzelle bestehenden aerostatischen Flugsystem können große Höhen schnell erreicht und somit starke Höhenströmungen zur Fortbewegung genutzt werden, wobei den wesentlichen Anteil des Auftriebs die Gaszelle erzeugt, während die Heißluftzelle das Steigen oder Sinken bestimmt und einen variablen Auftriebsanteil erzeugt. Sie überträgt dabei auch Wärme auf die über ihr liegende Gaszelle und begünstigt dadurch den schnellen Aufstieg in eine große Höhe.
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Nachteilig ist bei diesen Luftfahrzeugen das sehr große Volumen der Gaszelle und der Heißluftzelle sowie der hohe Zeitaufwand zum Befüllen beider Zellen mit Gas bzw. Heißluft.
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Es sind auch sogenannte Heißluftschiffe bekannt, die mit einer Antriebseinrichtung ausgerüstet sind, so dass eine horizontal gerichtete aktive Fortbewegung möglich ist. Ein solches Heißluftschiff hat etwa die Form eines Zeppelins, und sein Auftrieb wird ausschließlich durch Erhitzen des Tragvolumens, also der in ihm enthaltenen Luft, mittels eines Gasbrenners erzeugt. Die Hülle des Heißluftschiffs wird durch den statischen Druck der in ihm enthaltenen Heißluft in vorgegebener Form und Stabilität gehalten. Ferner hat die Hülle eine untere Öffnung, unter der der Gasbrenner angeordnet ist. Mit einer Antriebsleistung von 20 kW bis 50 kW kann ein solches Heißluftschiff eine Geschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft von 18 km/h bis 30 km/h erreichen. Der Überdruck in der Hülle liegt in der Größenordnung von 15 Pa im Gegensatz zu einem Gasluftschiff, bei dem der Überdruck etwa 500 Pa betragen muss.
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Die Heißluftschiffe sollen eine Reiseflughöhe erreichen und eine Nutzlast über eine vorgegebene Entfernung transportieren können, wobei aber Grenzen durch das Eigengewicht des Luftfahrzeugs und dessen Volumen gesetzt sind. So hat ein bekanntes Heißluftschiff (GEFA-FLUG AS 105 GD) für ein bis zwei Passagiere ein Abfluggewicht von ca. 900 kg und ein Hüllenvolumen von etwa 3000 m3. Einen beachtlichen Anteil des Abfluggewichtes bildet der Brennstoffvorrat für den Gasbrenner, der die Reichweite eines solchen Heissluftschiffs bestimmt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Luftfahrzeug anzugeben, das sich zum Steigen und Sinken bei geringstmöglicher Brennerleistung eignet und geringen Raumbedarf hat. Diese Aufgabenstellung ergibt sich u. a. aus dem Bedarf nach einem Luftfahrzeug, dessen Einsatzgebiet der untere Luftraum ist und das vergleichsweise geringe Lasten wie eine oder zwei Personen tragen kann, wie es z. B. bei Ultraleichtflugzeugen bzw. Freizeitfluggeräten der Fall ist. Auch die Anwendung als Luftfahrzeugmodell kann hier in Betracht kommen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Luftfahrzeug der eingangs genannten Art dadurch, dass mehrere Gaszellen einen Verbund-Tragkörper bilden und einen zentralen Heizschacht umgeben, und dass die Heißluftzellenanordnung über dem Verbund-Tragkörper angeordnet ist und mit dessen Oberseite das durch den Brenner zu erhitzende Luftvolumen einschließt.
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Ein Luftfahrzeug nach der Erfindung hat als besonders Merkmal den Aufbau der Gaszellenanordnung als Verbund-Tragkörper aus mehreren Gaszellen. Ein weiteres besonderes technisches Merkmal ist die Anordnung des Verbund-Tragkörpers unter und nicht über der Heißluftzellenanordnung. Dadurch wird die Heissluft nicht auch zum Erwärmen des Gases in der Gaszellenanordnung genutzt, sondern steht ausschließlich zum Erzeugen eines variablen Auftriebs zur Verfügung, der vorteilhaft nur so stark sein muss, dass das Luftfahrzeug durch den mit dem Verbund-Tragkörper erzeugten Auftrieb zunächst in einen Zustand kurz vor dem Abheben vom Boden gebracht wird und dann durch das Aufheizen der Heissluftzellenanordnung vom Boden abhebt und in einem Schwebezustand gehalten wird. Dies ermöglicht einen geringen Brennstoffverbrauch zum Heizen der Heissluftzellenanordnung und eine wesentliche Verringerung des Gesamtgewichts des Luftfahrzeugs, denn die Heissluft wird nicht zum Erwärmen des Gases in der Gaszellenanordnung mit genutzt, sondern sie dient ausschließlich zum Erzeugen des variablen Auftriebsanteils, so dass hierzu ein vergleichsweise geringer Brennstoffvorrat ausreicht. Dadurch kann ein kleines und kompaktes Luftfahrzeug realisiert werden. So ist es z. B. möglich, bei einem Luftfahrzeug mit einem Gesamtgewicht einschließlich Pilot von 250 kg einen Auftriebsanteil von 200 kg durch einen Verbund-Tragkörper mit einem Rauminhalt von etwa 200 m3 zu erzeugen und das Luftfahrzeug in den Schwebezustand zu bringen. Nach dem Abheben vom Boden bewirkt die Heissluftzellenanordnung mit einem Rauminhalt von etwa 260 m3 ein weiteres Steigen abhängig von dem Betrieb und der Steuerung des ihren Luftinhalt heizenden Brenners.
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Da die Oberseite des Verbund-Tragkörpers Teil der Heissluftzellenanordnung ist, wird durch diese Art der Verbindung der beiden Zellenanordnungen das Befüllen der Heissluftzellenanordnung gegenüber einem Heißluftballon wesentlich erleichtert, denn der Verbund-Tragkörper ist für die über ihm ausgebildete Heissluftzellenanordnung ein stabilisierendes und formgebendes Element.
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Der Verbund-Tragkörper besteht aus mehreren ggf. mit Ventilen ausgerüsteten Gaszellen, die in der Mitte ihrer Anordnung den zentralen Heizschacht einschließen. Der Verbund-Tragkörper muss kein Ballon sein, sondern er kann beliebige Form haben, weil er im Schwebezustand durch den Auftrieb der darüber liegenden Heißluftzellenanordnung stabilisiert wird. So kann der Verbund-Tragkörper bei einer starren oder halbstarren Ausbildung seiner Hülle in der Draufsicht ein polygonförmiger, kreisrunder oder ovaler Körper sein, der in einer beispielsweisen Ausführung mit einer Höhe von etwa 2,5 m einen Durchmesser von etwa 12,5 m hat, so dass das Volumen etwa 200 m3 beträgt. Ist ein solcher Körper mit Heliumgas gefüllt, so kann er einen Auftriebsanteil von etwa 200 kg erzeugen.
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Das Luftfahrzeug nach der Erfindung kann vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass die Gaszellen in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet sind und einen scheibenförmigen Verbund-Tragkörper bilden. Ein solcher Verbund-Tragkörper kann abweichend von den vorstehend genannten Abmessungen auch eine größere Höhe haben, so dass seine Breite entsprechend geringer ist. Da die über ihm vorgesehene Heißluftzellenanordnung im Schwebezustand seine Stabilisierung sicherstellt, ist auch eine Höhenausdehnung größer als die Breite denkbar. Somit lassen sich die Größenverhältnisse eines Luftfahrzeugs nach der Erfindung weitgehend variieren, was insbesondere auch für die Anwendung als unbemanntes Modellfluggerät interessant ist.
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Vorteilhaft sind die Gaszellen kreissektorförmig ausgebildet und bilden einen runden Verbund-Tragkörper. Wenn die Gaszellen jeweils einen Mittelpunktswinkel von 90° haben und rechtwinklig sind, können vier gleichartige Gaszellen den Verbund-Tragkörper bilden. Dabei kann der zentrale Heizschacht einen quadratischen Querschnitt haben, der sich durch Abflachen der inneren Spitzen der vier Gaszellen ergibt.
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Das Luftfahrzeug kann derart ausgeführt sein, dass die Heißluftzellenanordnung eine mit dem Verbund-Tragkörper dicht verbundene kuppelartige Ballonhülle ist. Bei dieser Ausführung ist es möglich, die Ballonhülle durch die Heißluft wie bei einem Heißluftballon durch Innendruckentwicklung zu stabilisieren. Die Ballonhülle kann aber auch Versteifungselemente enthalten, die eine kuppelartig gewölbte Hüllenform erzeugen. Diese Ausführung begünstigt das Füllen der Ballonhülle vor dem Start des Luftfahrzeugs mit Heissluft, denn es sind keine besonderen Öffnungs- oder Haltevorrichtungen erforderlich, um das Einleiten der Heißluft zu erleichtern. Die Versteifungselemente können entsprechend der Kuppelform gebogene Bügel sein, die mit ihren Enden an zwei einander gegenüberliegenden Stellen nahe dem Umfang des Verbund-Tragkörpers an diesem gelagert sind.
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In diesem Fall ist die Heißluftzellenanordnung also ähnlich wie ein Kuppelzelt aufgebaut, dessen Gestalt sich durch die Bogenform der Bügel ergibt. Wenn die Bügel an dem Verbund-Tragkörper schwenkbar gelagert sind, kann die Kuppel durch Verschwenken der Bügel ähnlich wie das Faltverdeck eines Kraftfahrzeugs geöffnet und geschlossen werden und im Ruhezustand des Luftfahrzeugs auf der Oberseite des Verbund-Tragkörpers in eine Ruhelage gebracht werden, in der der Raumbedarf des Luftfahrzeugs hauptsächlich durch den des Verbund-Tragkörpers bestimmt ist.
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Das Luftfahrzeug nach der Erfindung eignet sich infolge seines Aufbaus und seines begrenzten Volumens auch zur Fortbewegung durch Eigenantrieb. Dazu kann unter dem Verbund-Tragkörper ein Triebwerkträger angeordnet sein, der z. B. mit einem Propeller einen Vortrieb quer zur Auftriebsrichtung des Luftfahrzeugs erzeugt.
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Zum Fortbewegen des Luftfahrzeugs mit einer Geschwindigkeit bis zu 50 km/h eignen sich als Triebwerk mit Elektromotoren angetriebene Propeller. Ein derartiger Elektroantrieb mit einer Leistung von etwa 5 kW hat einschließlich Stromquelle für eine Laufzeit von etwa 20 min und Propeller ein Gewicht von ca. 5 kg. Zwei derartige Antriebe erzeugen einschließlich Montagematerial eine Last von etwa 10 kg, wobei ein Vortrieb von ca. 50 kg erzeugt werden kann. Als Stromquellen kommen leichte Energiespeicher wie z. B. Lithium-Akkumulatoren in Betracht, deren Gewicht die verfügbare Kapazität und damit die Laufzeit eines Elektroantriebs und damit die Reichweite des Luftfahrzeugs bestimmt. Die vorstehend als Beispiel genannte Größe eines bemannten Luftfahrzeugs nach der Erfindung ermöglicht einen Gewichtsanteil für die Stromquelle in der Größenordnung von etwa 25 kg.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 die Seitenansicht eines Luftfahrzeugs nach der Erfindung als Ausführungsbeispiel,
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2 den Schnitt II-II aus 1,
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3 den Schnitt III-III aus 2,
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4 eine schematische Seitenansicht der Heißluftzellenanordnung des Luftfahrzeugs nach den 1 bis 3, und
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5 eine weitere Seitenansicht der Heißluftzellenanordnung im zusammengelegten Zustand.
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In 1 ist ein auf dem Boden stehendes Luftfahrzeug 10 dargestellt, das einen Verbund-Tragkörper 40 aus mehreren Gaszellen 41, 42 und eine in Betriebslage des Luftfahrzeugs 10 oberhalb des Verbund-Tragkörpers 40 angeordnete kuppelförmige Ballonhülle 20 umfasst. Die Ballonhülle 20 ist in noch zu beschreibender Weise mit dem Verbund-Tragkörper 40 verbunden. Die so gebildete Einheit aus der Ballonhülle 20 und dem Verbund-Tragköper 40 ist auf einem unteren Traggestell 60 angeordnet, das die Gaszellen 41, 42 des Verbund-Tragkörpers 40 stabilisiert und Träger für zwei Triebwerke 70 und einen Pilotensitz 61 sowie einen Gasbrenner 71 mit zugehörigem Flüssiggasbehälter 72 ist. Die Triebwerke 70 sind an den beiden Enden eines Triebwerkträgers 62 befestigt, der mit dem unteren Traggestell 60 starr verbunden ist. An dem Traggestell 60 sind ferner als Fahrwerk zumindest drei Federbeine 63 befestigt, die jeweils an ihrem unteren Ende ein Rad 64 mit einer vorzugsweise um die Federbeinachse drehbar gelagerten Radachse tragen, so dass das gesamte Luftfahrzeug 10 auf dem Boden in beliebiger Richtung bewegt werden kann.
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Wenn das Fahrwerk mit dem unteren Traggestell 60 lösbar verbunden ist, so kann es ggf. mit dem Pilotensitz 61 von dem Traggestell 60 abgekoppelt und zur von dem Luftfahrzeug 10 unabhängigen Fortbewegung auf dem Boden genutzt werden.
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Die Ballonhülle 20 besteht vorzugsweise aus einem Material, aus dem auch Heißluftballons gefertigt werden, also z. B. aus einem reißfesten Nylongewebe, das durch Beschichten mit einem Kunststoff luftundurchlässig ist. Die Ballonhülle 20 kann aber auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen, das steifer als ein Stoffgewebe ist und die Kuppelform einer Ballonhülle 20 auch dann beibehält, wenn das Luftfahrzeug 10 bzw. der Gasbrenner 71 nicht in Betrieb ist. Die Ballonhülle 20 ist mit der Oberseite des Verbund-Tragkörpers 40 möglichst luftdicht verbunden, beispielsweise verklebt. Eine lösbare Verbindung kann z. B. mit Klettband realisiert sein.
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Bogenförmige Bügel 21, 22, 23 aus Federstahl oder auch aus dünnwandigem, bogenförmig gebogenem Metallrohr bestimmen die Kuppelform und werden jeweils durch Streben 26, 27, 28 in ihrer Bogenform stabilisiert. Als Metallrohr eignet sich insbesondere Stahlrohr, Kupferrohr oder Aluminiumrohr. In der dargestellten Ausführungsform sind die bogenförmigen Bügel 21, 22, 23 mit ihren Enden an zwei Schwenklagern 24, 25 gelagert, die im Falle der Ausführung der Ballonhülle 20 aus einem Gewebematerial ein Schwenken der Bügel 21, 22, 23 ermöglichen und damit in noch zu beschreibender Weise ein Öffnen und Zusammenfalten der Ballonhülle 20 gestatten.
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In 1 ist gestrichelt auch eine größere Ausführung der Ballonhülle 20' angedeutet, die bis über den Verbund-Tragkörper 40 geführt und mit diesem an seinem Außenumfang verbunden ist. Hierzu dienen Verbindungselemente 29, z. B. Klettbänder, die an dem Außenumfang des Verbund-Tragkörpers 40 in regelmäßigen Abständen befestigt sind. Auch kann die Ballonhülle 20' mit dem Umfang des Verbund-Tragkörpers 40 verklebt sein.
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2 zeigt den Schnitt II-II aus 1. Hier ist zu erkennen, dass der Verbund-Tragkörper 40 kreisrund ausgebildet ist und aus vier untereinander gleichgroßen und in 2 als Kreissektoren dargestellten Gaszellen 41, 42, 43 und 44 besteht. Diese vier Gaszellen 41, 42, 43 und 44 sind an ihren radial innen liegenden Enden durch eine flache Wand abgeschlossen und schließen einen quadratischen Heizschacht 73 ein. Durch diesen Heizschacht 73 steigt die mit dem Gasbrenner 71 erhitzte Luft nach oben in den durch die Ballonhülle 20 eingeschlossenen kuppelförmigen Raum. Die Gaszellen 41, 42, 43 und 44 sind untereinander an ihren radialen Seiten verbunden. Hierzu dient ein oberes Traggestell, das noch beschrieben wird.
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Das Luftfahrzeug 10 ist in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kreisrund und kuppelförmig. Es sind aber auch andere Formen denkbar, z. B. eine in der Draufsicht elliptische, quadratische oder polygonale Form. Entsprechend sind dann die untereinander verbundenen Gaszellen 41, 42, 43, 44 und die darüber angeordnete Ballonhülle 20 ausgebildet. Die Gaszellen 41, 42, 43, 44 können auch z. B. jeweils zylindrisch ausgebildet sein und mit ihren Längsachsen radial von dem mit ihnen eingeschlossenen Heizschacht 73 abstehen.
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In 2 ist ferner die in 1 dargestellte größere Ballonhülle 20' angedeutet, die bei 29 jeweils an dem Umfang des Verbund-Tragkörpers 40 befestigt ist.
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Die Gaszellen 41 bis 44 bestehen zweckmäßig aus einem gasdichten starren Material, z. B. aus Aluminiumblech. Sie können aber auch, ähnlich wie die Ballonhülle 20, aus einem gasdichten Gewebematerial bestehen, das gegebenenfalls durch zusätzliche Elemente versteift ist. Die Gaszellen 41 bis 44 sollten so aufgebaut sein, dass sie dem Verbund-Tragkörper 40 eine Stabilität geben, damit das Luftfahrzeug 10 als eine Einheit auf dem Boden gerollt werden kann.
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3 zeigt den Schnitt III-III aus 2 und verdeutlicht den inneren Aufbau des Luftfahrzeugs 10 im Bereich des Verbund-Tragkörpers 40. Es sind hier die Bügel 21, 22, 23 und die Streben 26, 27, 28 der Ballonhülle 20 sowie die Lagerung an den Schwenklagern 24 und 25 zu erkennen. Diese Schwenklager 24 und 25 sind wiederum mit einem oberen Traggestell 80 verbunden, das mit dem bereits beschriebenen unteren Traggestell 60 verbunden ist.
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Das obere Traggestell 80 umfasst bei der hier beschriebenen zentralsymmetrischen Ausführung des Luftfahrzeugs 10 vier Teile, die jeweils zwei einander benachbarte Gaszellen 41, 42; 41, 43; 43, 44 und 42, 44 miteinander verbinden und eine in der Draufsicht kreuzförmige Anordnung bilden. In 3 sind zwei Teile 80a und 80b des oberen Traggestells 80 zu erkennen, die symmetrisch zu einer senkrechten Mittellinie angeordnet sind. Diese beiden Teile 80a und 80b des oberen Traggestells 80 umfassen jeweils eine obere Strebe 81 und eine untere Strebe 82, die ausgehend von einem der Schwenklager 24, 25 zur Mitte des Luftfahrzeugs 10 hin divergieren und miteinander durch Streben 83 verbunden sind. In 3 sind die Teile 80c und 80d des oberen Traggestells 80 nicht zu erkennen. Diese Teile tragen keinen Triebwerkträger, jedoch ist mindestens einer dieser beiden Teile über das untere Traggestell 60 gleichfalls mit einem Federbein 63 verbunden, so dass sich eine Dreipunktauflage des Luftfahrzeugs 10 auf dem Boden ergibt.
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In 4 ist schematisch eine Seitenansicht der Ballonhülle 20 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass die Ballonhülle 20 an den bogenförmigen Bügeln 21, 22, 23, 30, 31 und 32 gehalten und durch diese nach oben gewölbt wird. Durch die schwenkbare Lagerung dieser Bügel 21, 22, 23 an den Schwenklagern 24 und 25 kann die Ballonhülle 20 ähnlich wie das Faltverdeck eines Kraftfahrzeugs geöffnet und geschlossen werden. Hierzu kann ein nicht dargestellter Seilzug dienen.
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5 zeigt den geöffneten Zustand der Ballonhülle 20. Die Bügel 21 bis 23; 30 bis 32 sind insgesamt nach rechts (4, 5) umgelegt und liegen in dieser Stellung übereinander, wobei zwischen ihnen die einzelnen Falten der Ballonhülle 20 liegen.
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Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Heizschacht 73 auch einen kreisförmigen Querschnitt haben. Ferner kann bei weiteren Ausführungsformen die Ballonhülle 20 als Isolierhülle ausgeführt und/oder mit dem bogenförmigen Bügeln 21, 22, 23 verbunden sein, insbesondere kann mindestens ein Bügel 21, 22, 23 durch einen in der Hülle 20 gebildeten Tunnel geführt sein. Dadurch kann einfach eine Verbindung zwischen Bügel 21, 22, 23 und Hülle 20 hergestellt werden. Der Tunnel kann durch übereinanderliegendes und miteinander verbundenes Hüllenmaterial gebildet sein. Das Hüllenmaterial kann dazu und durch Nähen, Kleben oder eine Klettverbindung miteinander verbunden sein.
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Falls nicht anders angegeben, beziehen sich die Positionsangaben und die angegebenen relativen Positionen von Elementen zueinander, insbesondere die Angaben oben und unten auf die in 1 gezeigte Betriebsausgangslage des Luftfahrzeugs 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftfahrzeug
- 20, 20'
- Ballonhülle
- 21, 22, 23, 30, 31, 32
- Bügel
- 24, 25
- Schwenklager
- 26, 27, 28
- Streben
- 29
- Verbindungselement
- 40
- Verbund-Tragkörper
- 41, 42, 43, 44
- Gaszellen
- 60
- unteres Traggestell
- 61
- Pilotensitz
- 62
- Triebwerkträger
- 63
- Federbein
- 64
- Rad
- 70
- Triebwerk
- 71
- Gasbrenner
- 72
- Flüssiggasbehälter
- 73
- Heizschacht
- 80
- oberes Traggestell
- 80a, 80b, 80c, 80d
- Teile des oberen Traggestells
- 81, 82, 83
- Strebe
