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Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere lenkbares Starrluftschiff, mit einem eine Außenhülle, Bug- und Heckscheibe mit Leitwerk aufweisenden, aus Leichtbauelementen wie Streben, Spanten, Stringer, Ringe, Gurte und Knoten zusammengesetzten Traggerüst, wobei das Traggerüst wenigstens ein Traggassegment enthält, in der mindestens ein mit gasförmigem Wasserstoff als Auftriebsgas befüllter oder befüllbarer Traggasbehälter und ein Ballonett angeordnet ist, einem im und am Traggerüst integrierten Adapter, in dem ein Antrieb für PTL-Triebwerke aus mindestens einer mit gasförmigem Wasserstoff über einen Kompressor betriebene Gasturbine, einem Generator, einem Elektromotor und einem Umrichter, Gasbehälter für Wasserstoff und Sauerstoff, einer Pufferbatterie zum Starten der PTL-Triebwerke und Bereitstellen von Elektroenergie für die Steuer-, Mess-, Kommunikations- und Beobachtungstechnik untergebracht und an dem ein Cockpit flugtauglich angeordnet ist, wobei die Gasturbine über den Generator und den Elektromotor einen Vortrieb durch die an der Back- und Steuerbordseite des Luftschiffes am Traggerüst befestigten PTL-Triebwerke erzeugt und die Gasturbine entweder mit dem bevorrateten Wasserstoff aus dem Traggasbehälter des Traggassegmentes und/oder aus dem Gasbehälter speisbar ist.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2009 003 122 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Luftschiffes bekannt, das derart ausgestaltet ist, dass in seinem Tragkörper zur Erzeugung eines zum Abheben von der Erdoberfläche ausreichenden Auftriebs Wasserstoff aufnehmbar oder aufgenommen ist und welches wenigstens ein Antriebsaggregat aufweist, welches mit Wasserstoff als Treibstoff betreibbar ist, wobei Wasserstoff sowohl als Traggas als auch als Treibstoff eingesetzt wird. Die fachwerkartige Tragstruktur des Tragkörpers dieses bekannten Luftschiffes besteht teilweise aus Kohlefasern und Schaumaluminium (AFOS) oder Aluminium bzw. Magnesium.
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Die Außenhülle muss unterschiedlichen technischen Anforderungen wie hohe Zug- und Weitereißfestigkeit, Gasdichtheit, gute Verarbeitbarkeit, geringe Knickempfindlichkeit, UV-Beständigkeit, hohe Lebensdauer, geringe Alterungsempfindlichkeit, Unbrennbarkeit bzw. Schwerentflammbarkeit gerecht werden.
Deshalb haben sich Verbunde aus verschiedenen Werkstoffschichten oder -lagen im Stand der Technik durchgesetzt. Jede Lage übernimmt dabei eine oder auch mehrere spezifische Funktionen. Beispielsweise besteht ein solch bekannter Verbund aus einem Polyestergewebe, einer Polyesterfolie und einer Polyvinylfluoridfolie, die durch einen elastischen Kleber miteinander verbunden sind (J.K. BOCK, B. KNAUER, in „Leichter als Luft, Transport und Transportsystem“, S. 187/188 Verlag Frankenschwelle 2003). Die Flächengewichte liegen bei einer Gesamtdicke von 0,17 bis 0,4 mm bei 180 g/m2 bis 375 g/m2.
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Die Bugkappe des Starrluftschiffes ist aufgrund ihrer hohen Belastung aus Staudruck und Zugkräften ein extrem sicherheitsrelevantes Element. Sie besteht vorzugsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (J.K. BOCK, B. KNAUER, in „Leichter als Luft, Transport und Transportsystem“, S. 210, Verlag Frankenschwelle 2003, 1. Auflage).
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Die für den Auftrieb verantwortlichen Traggaszellen sind im Tragkörper angeordnet und müssen gasdicht, reißfest und zugleich leicht sein. Materialien, die diesen Anforderungen nahekommen, bestehen aus einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einer Aluminium-KunststoffVerbundfolie (
DE 199 04 278 A1 ) oder einem Laminat aus einer Polyvinylfluorid (TEDLAR)-Folie und einem Polyestergewebe (www.spektrum.de/magazun/zurueck-in-die-zukunft/826045).
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Es ist eine Vielzahl von Bauprinzipien für die Tragstruktur von Starrluftschiffen bekannt. So besteht beispielsweise der Tragkörper aus einer Gitterstruktur aus Spanten, Stringer, Ringen und Knoten aus Leichtbauwerkstoffen wie Kohlefasern, Schaumaluminium, Aluminium- und Magnesiumlegierungen (
DE 10 2006 057 808 A1 ,
DE 10 2009 003 122 A1 ), einem aus Spanten und Längsträgern bestehenden Dreiecksgebilde (
DE 40 18 749 C2 , STRÄTER, BERND „Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie“, S.33, www.aviation.tu-darmstadt.de/...luftverkehr/.../ strteraktuellerstandderleichteralslufttec...) oder aus einem Raumfachwerk aus Knotenkörpern, Ring- und Längsträgern und Spannseilen (
EP643659B1 ) zusammen.
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Bekanntlich liegt der Massenanteil der gitterartigen Fachwerkskonstruktion des Tragkörpers und der Außenhülle an der Gesamtmasse des konstruktiven Aufbaus trotz Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Kohlenstofffasern, Kevlar, Aluminium bzw. Titan immer noch bei etwa 49% der Gesamtmasse der Konstruktion, wobei für die Außenhülle um die 35% und für die Tragkonstruktion um die 14% Masseanteil angegeben werden STRÄTER, BERND „Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie“,S.34,www.aviation.tu-darmstadt.de/... luftverkehr.../strteraktuellerstandderleichteralslufttec...). Dieser hohe Masseanteil beeinflusst die Flug- und Betriebseigenschaften sowie die Wirtschaftlichkeit dieser Luftschiffe erheblich, denn diese werden durch den statischen Auftrieb und den Antrieb (Vortrieb) bestimmt. Je größer dieser Masseanteil ist, umso geringer ist die verfügbare spezifische Nutzlast und umso höher sind die für den notwendigen Vortrieb aufzubringenden Treibstoffmengen und -verbräuche.
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Als Antriebe für die Starrluftschiffe kommen konventionelle Kolbenmotore, Dieselmotore oder alternative Antriebe (REINHARD GRÜNWALD, DAGMAR OERTEL, „Leichter als Luft-Technologie“, Arbeitsbericht Nr. 97, November 2004) in Frage. Der Einsatz eines elektrischen Antriebs in Verbindung mit Brennstoffzellen und Solarzellen in Luftschiffen ist aus der Veröffentlichung von BERND STRÄTER, „Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie“,S.46,www.aviation.tudarmstadt.de/...luftverkehr/.../strteraktuellerstandderleichter alslufttec... /.../ bekannt.
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Aufgabenstellung
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Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Starrluftschiff mit einer deutlich reduzierten Masse bereitzustellen und den Betrieb des Luftschiffes unter Beibehaltung seiner Multifunktionalität weitgehend emissionsfrei, kostengünstiger und umweltschonender zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Starrluftschiff der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Starrluftschiffes sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, die exzellenten mechanischen, physikalisch und chemischen Eigenschaften von Graphen sowohl für die Reduzierung des Gewichtes aller funktionsrelevanten Elemente, Bauteile und Aggregate wie der Außenhülle, Bug- und Heckscheibe, der Traggassegmente des Traggerüstes, des Leitwerkes, des Cockpits der Traggasbehälter, Ballonetts und des Antriebs als auch für die Verbesserung der Leistungsparameter des Antriebes im Luftschiffbau und der Manöverierbarkeit des Luftschiffes nutzbar zu machen.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Leichtbauelemente des Traggassegmentes, der Bug- und Heckscheibe mit Leitwerk sowie die Fachwerksstruktur des Adapters, das Cockpit und die Gasbehälter gänzlich oder teilweise aus einem starren graphenbasierten Verbundwerkstoff oder Werkstoffverbund, die Außenhülle, die Traggassäcke und das Ballonett von einem durch Graphen modifizierten flexiblen Kunststoffverbund gebildet sind, und dass der Antrieb einen Hybridantrieb aus einem Verbrennungsenergie-Antriebsstrang (VA) und einem Elektroenergie-Antriebsstrang (EA) umfasst, der im Verbrennungsenergie-Antriebsstrang (VA) die Gasturbine und im Elektroenergie-Antriebsstrang (EA) einen graphenbasierten Brennstoffzellenblock und/oder durch in die Außenhülle flexibel integrierte Solarzellen aufladbare graphenbasierte Pufferbatterie enthält, wobei der Brennstoffzellenblock oder die Pufferbatterie parallel zur Gasturbine geschaltet sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes liegt der Verbundwerkstoff für die Leichtbauelemente des Traggassegmentes des Traggerüstes, der Fachwerksstruktur des Adapters, der Bug- und Heckscheibe mit Leitwerk, das Cockpit und die Gasbehälter in Form eines Composites aus Kohlenstofffasern und Graphenfasern und/oder einer Matrix aus Kunststoff mit eingelagerten Graphenfasern oder Graphenteilchen oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen vor, wobei die Graphenfasern langfaserig und bidirektional in der Matrix ausgerichtet sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes liegt der Werkstoffverbund für die Streben, Spanten, Stringer, Hauptringen, Hilfsspanten, Gurte, Platten und Knoten aus Kohlenstofffasern oder faserverstärkten Kunststoff vor, die durch ein textiles Gewebe, Gestrick oder Geflecht aus Graphenfasern ummantelt sind.
Es sei hier ausdrücklich auf die technischen Unterschiede zwischen makroskopisch homogenen und mikroskopisch heterogenen Verbundwerkstoffen und mikroskopisch homogenen und makroskopische heterogenen Werkstoffverbunden hingewiesen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes ist die Kunststoffmatrix des Verbundwerkstoffes für die Leichtbauelemente des Traggassegmentes, der Bug- und Heckscheibe mit Leitwerk, der Fachwerkstruktur des Adapters mit Verkleidung, das Cockpit aus der Gruppe der Thermoplaste, bevorzugt aus der Gruppe der Polyamide, Polyacrylamide, Polycarbonate, Polyetheretherketone, Polyethylensulfide, Polyosulfone oder aus der Gruppe der Duroplaste, bevorzugt Reaktionsharze, vorzugsweise Epoxidharze oder Polyesterharze, ausgewählt.
Die jeweiligen Leichtbauelemente wie Streben, Spanten, Stringer, Ringe, Gurte, Platten und Knoten des gitterartigen Tragkörpers, des Leitwerkes und der Bug- und Heckscheibe können so individuell an ihre geforderte Funktion und Lage hinsichtlich der Beanspruchungsart, beispielsweise an Zug-, Druck oder Knickbelastung, angepasst werden.
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Die ultradünnen Graphenfasern sind mechanisch hoch belastbar und gleichzeitig elastisch dehnbar, schwer brennbar, wärmeisolierend und gasdicht, gepaart mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Sie erreichen Zugfestigkeiten, die deutlich über denen des Stahls liegen. Dies ist mit dem außerordentlichen Vorteil verbunden, dass sich die gewünschten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht nur des Traggerüstes sondern auch der Außenhülle und der Traggassäcke des Starrluftschiffes punktgenau auf die spezifischen Eigenschaften wie Elastizität, Bruchfestigkeit, Ausdehnungsverhalten unter Temperatureinflüssen bei Sonneneinstrahlung, Gasdichtheit und UV-Beständigkeit usw. einstellen lassen.
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Von besonderer Bedeutung für die Einstellung der gewünschten Eigenschaften und der gleichzeitigen Verringerung des Flächengewichtes der Außenhülle ist, dass die Dicke und die Anzahl der Werkstofflagen des Kunststoffverbundes bei Einhaltung der geforderten Eigenschaften durch den Einsatz mindestens aus einer in einer Kunststoffmatrix angeordneten Lage aus einem Gewebe, Gestrick oder Geflecht aus Graphenfasern und Kohlenstofffasern im Kunststoffverbund deutlich reduziert werden können.
Der Werkstoffverbund für die Außenhülle des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes kann vorzugsweise mehrlagig ausgebildet sein, wobei die Werkstofflagen von außen nach innen aus einer Polyethylenfluorfolie, einer Polyesterfolie und dem Graphen- und/oder Kohlenstofffasergewebe bestehen und ein Flächengewicht von insgesamt 125 bis 170 g/m2 aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes sieht vor, dass der Verbundwerkstoff für die Traggasbehälter mindestens aus einer in einer gasdichten und flexiblen Kunststoffmatrix eingebrachten Lage eines Gewebes, Gestricks oder Geflechts aus Graphenfasern oder Graphenfasern und Kohlenstofffasern besteht.
Die Kunststoffmatrix für die Traggasbehälter ist vorzugsweise aus der Gruppe der Thermoplaste, bevorzugt aus der Gruppe der Polyamide, Polyacrylamide, Polycarbonate, Polyetheretherketone, Polyethylensulfide, Polyosulfone oder aus der Gruppe der Duroplaste, bevorzugt Reaktionsharze, vorzugsweise Epoxidharze oder Polyesterharze, ausgewählt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes setzt sich der Verbrennungsenergie-Antriebsstrang aus einem Kompressor zum Komprimieren des Wasserstoffs auf das erforderliche Druckniveau, der Wasserstoff-Gasturbine zum Verbrennen des Wasserstoffs und Umwandeln der Verbrennungsenergie in Rotationsenergie, dem Generator zum Erzeugen eines elektrischen Gleichstromes aus der Rotationsenergie, einem Umrichter zum Wandeln des Gleichstroms in Wechselstrom, einem Elektromotor zum Erzeugen eines Drehmomentes und einem Getriebe zum Übertragen und Anpassen des Drehmomentes auf die PTL-Turbine in Abhängigkeit der Flugdaten zusammen.
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Der Elektroenergie-Antriebsstrang besteht in weiterer bevorzugter Ausführungsform der Erfindung aus einem graphenbasierten Brennstoffzellenblock, der über den Kompressor mit dem Wasserstoffdrucktank oder mit dem gasförmigen Wasserstoffvorrat der Traggasbehälter zum Zuführen von Wasserstoff und über einen weiteren Kompressor zum Zuführen von Sauerstoff über Zuführleitungen in Verbindung steht, einem Umrichter, der Pufferbatterie und dem Elektromotor, wobei die Kompressoren durch in den Zuführleitungen angeordnete Ventile zu- und abschaltbar sind. Alternativ kann der Elektroenergie-Antriebsstrang anstelle des graphenbasierten Brennstoffzellenblockes nur die Pufferbatterie in Form einer graphenbasierten Lithium-Ionen-Batterie aufweisen, die mit dem Umrichter und mit den in die Außenhülle integrierten graphenbasierten Solarzellen zum Aufladen elektrisch verbunden ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass als graphenbasierte Brennstoffzellen, vorzugsweise graphenbasierte Polymermembran- Brennstoffzellen im Brennstoffzellenblock des Elektroenergie-Antriebsstrangs eingesetzt werden.
Die Brennstoffzelle ist bekanntlich ein Energiewandler, in dem die innere Energie eines Brennstoffes elektrochemisch direkt in Elektrizität und Wärme umgewandelt wird. Wichtigste Bestandteile einer Brennstoffzelle sind die Anode, Kathode und der Elektrolyt, der die Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt und die spontane Umsetzung verhindert. Das Funktionsprinzip basiert somit auf einer kontrolliert ablaufenden chemischen Reaktion, bei der die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten geleitet und die Elektronen über einen äußeren elektrischen Stromkreis geführt werden.
Die Polymermembran-Brennstoffzelle besteht aus zwei Bipolarplatten, von denen jeweils eine die Anode und die andere die Kathode bildet, einer der Anode zugeordneten Gasdiffusionselektrode mit Katalysatorschicht, der Polymermembran als Elektrolyt und einer der Kathode zugeordneten Gasdiffusionselektrode mit Katalysatorschicht. Hier setzt die Erfindung an. Die Bipolarplatten der graphenbasierten Polymermembran-Brennstoffzellen bestehen aus einem Verbundwerkstoff, welcher sich aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, vorzugsweise Polypropylen oder Polyphenylsulfid, und Füllstoffen wie Graphenteilchen, Nanoröhrenteilchen und Kohlenstoff in Form von Graphit zusammensetzt.
Dies ermöglicht, die Dicke und damit die Masse der Bipolarplatten merklich zu reduzieren, was wiederum die Masse des Brennstoffzellenblocks und den Platzbedarf erheblich herabsetzt.
Des Weiteren gehört es zu der erfindungsgemäßen Lösung, dass reine Graphenteilchen als Leitfähigkeitsadditiv und funktionalisiertes Graphen der Polymermembran zugesetzt werden, um ihre ohmschen Verluste, d.h. letztlich die Wärmeverluste herabzusetzen.
Anstelle des Brennstoffzellenblocks kann auch nur die Pufferbatterie in Form einer graphenbasierten Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden, die durch in der Außenhülle integrierten graphenbasierten Solarzellen aufgeladen wird.
In solch einem Fall wird als Anode der Lithium-Ionen-Batterie ein Metall-Graphen-Composit eingesetzt.
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Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist, dass alle tragenden Baugruppen wie das Traggerüst, die Bug- und Heckscheibe mit Leitwerk, der Adapter, das Cockpit und die Gasbehälter einerseits und alle wichtigen Funktionselemente wie die Außenhülle, Traggasbehälter, Ballonetts, Brennstoffzellen, Pufferbatterien und Solarzellen andererseits aus einem auf die jeweilige Funktion individuell zugeschnittenen graphenbasierten Verbundwerkstoff und/oder Werkstoffverbund gebildet sind, so dass die konstruktive Masse des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes weiter gesenkt, die individuellen Eigenschaftskombinationen für die Funktionselemente wie hohe Zugfestigkeit, Weiterreißfestigkeit, hohe Gasdichtheit, UV-Beständigkeit, gute Verarbeitbarkeit, Knickunempfindlichkeit und Unbrennbarkeit besser erreicht und der Betrieb des Starrluftschiffes weitgehend emissionsfrei und zugleich wirtschaftlicher ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Es zeigen
- 1 eine Seitenansicht im Schnitt durch das Luftschiff nach dem Stand der Technik gemäß DE 10 2009 003 122 A1 ,
- 2 eine perspektivische Ansicht des Luftschiffes nach dem Stand der Technik gemäß DE 10 2009 003 122 A1 ,
- 3 eine Vorderansicht im Schnitt durch das Luftschiff nach dem Stand der Technik gemäß DE 10 20089 003 122 A1 ,
- 4 eine Seitenansicht des graphenbasierten Traggerüstes mit Bug- und Heckscheibe, Cockpit sowie Anbindung einer Funktionsplattform an den Adapter des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes,
- 5 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes,
- 6 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 4 ohne Funktionsplattform,
- 7a bis 7d Varianten des Verbundwerkstoffes und Werkstoffverbundes für die funktionstragenden Elemente des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes und
- 8 eine schematische Darstellung der Antriebskonfiguration zum Betreiben des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer bekannten Ausführung des Starrluftschiffes 1 nach dem Stand der Technik, das als MPA (Multi Purpose Airship) ausgelegt ist. Das Traggerüst 2 bildet den Luftschiffrumpf 3, der an seinem Bug eine kalottenförmige Bugscheibe 4 und an seinem Heck eine kalottenförmige Heckscheibe 5 aufweist. Es ist in Zellen 6 unterteilt, in denen die Traggassäcke 7 für das Traggas und Ballonetts 8 untergebracht sind. Die Zellen 6 sind tonnenförmig ausgebildet und dem Flugzeugbau entlehnt und haben eine starre Außenhülle 9. Außenseitig etwas oberhalb und unterhalb der Längsachse des Luftschiffes sind an der festen Struktur des Traggerüstes 2 (Rumpf) umgerüstete Triebwerke 10 aus der Flugzeugindustrie befestigt, die für den Vortrieb des Luftschiffes vorgesehen sind. Das bekannte Luftschiff ist ein Traggerät ohne Nutzplattform.
Es können Plattformen unterschiedlicher Bauart über einen Adapter mit Verriegelungsteil 11 am Traggerüst 2 flugtauglich befestigt werden. Das Starrluftschiff kann somit in Kombination mit der Plattform universell in mehreren Anwendungen wie Transport, Kommunikation, Umwelt (See-, Forst- und Landwirtschaft), Industriemontage, Rettung und Bergung sowie zur Feuerbekämpfung eingesetzt werden.
Die 1 zeigt weiterhin, dass die Bugscheibe 4 durch einen Bug-Hilfsspanten 12 und die Heckscheibe 5 über einen Heck-Hilfsspanten 13 an dem Traggerüst 2 befestigt ist. Die Zellen 6 sind durch Ringe 14 miteinander verbunden.
An der Unterseite des Traggerüstes 2 sind zwei Druckgasbehälter 15 sowie ein Treibstofftank bzw. Treibgasbehälter 16 angeordnet.
Unterhalb des Traggerüstes 2 befindet sich die Nutzlastplattform 17 (Bodenplatte), die durch Verankerungen 18 am Taggerüst 2 gehalten ist.
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In der 2 ist die Zellenkonstruktion der Zelle 6 nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Zelle 6 ist aus zwei gegenüberliegenden Zellenringen 14 gebildet, die durch senkrecht zu den Ringebenen angeordnete Gurte 19 miteinander verbunden sind und die einen zylinderähnlichen Raum umschließen. Mehrere nebeneinander angeordnete Zellen 6 bilden zusammen mit der Bugscheibe 4 und Heckscheibe 5 das Traggerüst 2.
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Die 3 stellt die Vorderansicht des bekannten Luftschiffes im Schnitt dar. An der Unterseite des Traggerüstes 2 ist ein Adapter 20 befestigt. Über der Kugelwanne 21 und Lasttraverse 22 ist das Cockpit 23 angeschlossen, das ggf. auch einen Kranführerstand und Geräteraum aufweisen kann. Mit der Lasttraverse 22 ist eine Aufhängung 24 zum Anschlagen eines Befestigungsrahmens 25 an der Nutzplattform 17 verbunden.
An der Kugelwanne 21 ist zudem ein erstes Hubwerk 26 angeordnet, welches verfahrbar ausgestaltet und ggf. mit einer Seiltrommel, Bremse und Steuerung ausgestattet ist.
Am Traggerüst 2 sind außerdem Tragantriebe 27 angeordnet, die jeweils an den Ringen 14 befestigt sind.
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Die 4 zeigt in Seitenansicht das Traggerüst 28 des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes 29. Das Traggerüst 28 ist aus mehreren nebeneinander angeordneten Traggassegmenten gebildet. Die Bugscheibe 31 weist zur Stabilisierung einen 30.1, 30.2 und 30.3, der Bugscheibe 31 und der Heckscheibe 32 Bug-Hilfsspanten 33 und die Heckscheibe 32 einen Heck-Hilfsspanten 34 auf.
Am Heck-Hilfsspanten 34 der Heckscheibe 32 ist das Leitwerk 35 flugtauglich befestigt.
Jedes der Tragsemente 30.1, 30.2 und 30.3 setzt sich durch zwei Gurte voneinander beabstandete Hauptringe 36 zusammen, die aus einem graphenbasierten Verbundwerkstoff oder Werkstoffverbund bestehen. Ebenso bestehen die Bug- und Heckhilfsspanten 33 und 34, das Leitwerk 35, der Adapter 39, das Cockpit 51 und die Gasbehälter 47, 48 und 78 ganz oder teilweise aus einem graphenbasierten Verbundwerkstoff oder Werkstoffverbund.
Der Verbundwerkstoff kann beispielsweise aus einem Composit gebildet sein, der Kohlenstoffasern und Graphenfasern und/oder eine Matrix aus Kunststoff mit eingelagerten Graphenfasern oder Graphenteilchen oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen umfasst, wobei die Graphenfasern langfaserig und bidirektional in der Matrix ausgerichtet sind.
Die Kunststoffmatrix für die Hauptringe 36, die Hilfsspanten 33 und 34 können Thermoplaste oder auch Duroplaste mit den entsprechenden mechanischen Eigenschaften und Gewichten sein. Kommt ein Werkstoffverbund für die Leichtbauelemente in Form von Streben, Spanten, Stringer, Ringen, Gurten, Platten und Knoten zum Einsatz, so können diese beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, der durch ein textiles Gewebe, Gestrick oder Geflecht aus Graphenfasern ummantelt ist, bestehen.
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Die Außenhülle 37 des Traggassegmentes ist aus einem relativ dünnen, flexiblen, aber festen graphenbasierten Kunststoffverbund gefertigt, der mindestens eine Lage eines Gewebes, Gestrickes oder Geflechts aus Graphenfasern oder Kohlenstofffaserns und Graphenfasern enthält. Vorzugsweise ist der Kunststoffverbund mehrlagig, wobei die Werkstofflagen von außen nach innen aus einem Graphenfaser- und Kohlenstofffasergewebe, einer Polyethylenfolie und einer Polyesterfolie mit einem Flächengewicht von insgesamt 125 bis 170 g/m2 aufweisen.
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Die Traggassegmente 30.1, 30.2 und 30.3 definieren dabei das Volumen des aufnehmbaren Traggases und enthalten einen oder mehrere Traggasbehälter 38, die über entsprechende Rohrleitungen und Ventile mit Wasserstoff als Traggas befüllt werden. Die Rohrleitungen zum Befüllen verlaufen vorzugsweise entlang der Hauptringe 36.
Die Traggasbehälter 38 bestehen aus einem dünnen und flexiblen, gasdichten und gegen Wasserstoffdiffusion beständigen Kunststoffverbund aus einer in einer Kunststoffmatrix angeordneten Lage eines Gewebes, Gestricks oder Geflechts aus
Graphenfasern oder Kohlenstofffasern und Graphenfasern. Die Kunststoffmatrix kann entsprechend ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften aus der Gruppe der Thermoplaste, bevorzugt aus der Gruppe der Polyamide, Polyacrylamide, Polycarbonate, Polyetheretherketone, Polyethylensulfide, Polyosulfone oder aus der Gruppe der Duroplaste, bevorzugt Reaktionsharze, vorzugsweise Epoxidharze oder Polyesterharze, ausgewählt werden.
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In den Rumpf des aus der Bugscheibe 31, den Traggassegmenten 30.1, 30.2 und 30.3 sowie der Heckscheibe 32 gebildeten Traggerüstes 28 ist ein Adapter 39 integriert, der aus einer gitterartigen Fachwerksstruktur 40 aus Streben oder Stäben 41 gebildet wird.
Die Fachwerksstruktur 40 erstreckt sich entlang des unteren Rumpfes des Traggerüstes 28 vom Bug-Hilfsspanten 33, der Traggassegmente 30.1, 30.2 und 30.3 bis zum Heck-Hilfsspanten 34 und umgrenzt einen Nutzraum 42, der mit einer aerodynamischen Verkleidung 43 versehen ist.
Die Streben oder Stäbe 41 der Fachwerksstruktur 40 sind an den Hauptringen 36 durch Laserschweißen, Nieten oder andere geeignete Verfahren befestigt und bestehen aus einem Graphenfaser-Kohlenstofffaser-Composit, welches in seinen mechanischen und physikalischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit, Dehnung, Biegefestigkeit usw. für das Heben von Lasten ausgelegt ist.
Im Nutzraum 42 sind die Baugruppen des Antriebs wie die mit Wasserstoff betriebene Gasturbine 44 mit Generator 45, der Elektromotor 46, der Umrichter 62, ein Gasbehälter 46 zur Versorgung des Brennstoffzellenblockes 49 mit Wasserstoff, ein Gasbehälter 48 für die Versorgung der Gasturbine 44 mit Wasserstoff, der graphenbasierten Brennstoffzellenblock 49, ein Gasbehälter 78 zur Versorgung des Brennstoffzellenblocks 49 mit Sauerstoff und die graphenbasierten Pufferbatterie 50 untergebracht. Der Generator 45, der Elektromotor 46 und der Umrichter 62 können auch zu einem Aggregat zusammengefasst sein, ohne die Erfindung zu verlassen.
Der Nutzraum 42 nimmt somit alle wesentlichen zum Betrieb des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes notwendigen Geräte, Antriebsaggregate und Baugruppen in Form von Gasturbinen, Generatoren, Elektromotoren, Gasbehälter, Rohrleistungssystemen, Armaturen, Schaltelemente, Verbindungskabel, Steuersystemen, telemetrische Systeme und Recheneinrichtungen auf.
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Das Cockpit 51 ist unter dem Rumpf frontseitig an der Fachwerkstruktur 40 flugtauglich befestigt. Es nimmt einen Bordrechner 74 zum Steuern der Avionik und weitere zur Bedienung und Steuerung relevanter Einrichtungen auf.
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Die Fachwerksstruktur 40 trägt mittig zur Längsausdehnung des Starrluftschiffes eine Aufhängung 53, an der eine Kugelwanne 54 befestigt ist, welche mit mechanische, elektrische oder hydraulische Verriegelungen 55 versehen ist. An diese Verriegelungen 55 können verschiedenartige Funktionsplattformen 56, beispielsweise für den Transport, das Anheben und dem Umschlag von Lasten, die Montage von Schwerlasten, die Aufnahme von Hubwerken und Kränen, Einrichtungen zur Kommunikation, Rot-Kreuz-Ambulanzen, Feuerlöschtechnik usw. angeschlagen werden.
Eine solche Funktionsplattform 56 umfasst eine Lasttraverse 57, die über die Verriegelungen 55 mit der Kugelwanne 54 verbunden ist. Über an der Lasttraverse 57 angreifende Hubwerke 58 für Seilzüge 83 mit Anschlagmittel ist eine mit einer Öffnung 81 versehene Bodenplatte 59 höhenverstellbar angeordnet. Die Bodenplatte 59 besitzt eine Einrichtung 82 für die Verankerung am Boden oder die Befestigung an Gebäuden oder Anlagen.
Diese Lasttraverse 57 und die Bodenplatte 59 bestehen erfindungsgemäß aus einem hochfesten graphenbasierten Verbundwerkstoff oder Werkstoffverbund, dessen mechanische Eigenschaften an die Hubaufgaben angepasst ist.
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Die 5 zeigt eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes, aus der die Anordnung und Lage des den Vortrieb erzeugenden PTL-Triebwerkes 60 hervorgeht. Das PTL-Triebwerk 60 ist jeweils back- und steuerbordseitig an den Hauptringen 36 des der Heckscheibe 32 zugewandten Tragsegmentes 30.3 etwas unterhalb der Längsmittelachse LA des Starrluftschiffes mittels Haltearmen 61 befestigt.
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Es wird jetzt auf 6 Bezug genommen, die einen Schnitt entlang der Linie A-A der 4 zeigt. Im Inneren des geschnittenen Traggassegments 30.1 ist ein Ballonett 62 angeordnet, das innenseitig an den Hauptringen 36 in etwa zentrischer Lage gehalten ist. Ein Ballonett ist ein kleiner ballonartiger Luftsack, mit dessen Hilfe die Volumenänderung des Traggases (Wasserstoff) innerhalb des Traggassegmentes ausgeglichen wird.
Das Ballonett 62 besteht erfindungsgemäß aus einem dünnen, flexiblen und gasdichten Kunststoffverbund, in dem eine Lage eines Gewebes, Gestricks oder Geflechts aus Graphenfasern oder Kohlenstofffasern und Graphenfasern angeordnet ist.
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Varianten des Verbundwerkstoffes und des Werkstoffverbundes für die funktionstragenden Elemente des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes sind in 7a bis 7g dargestellt.
Die 7a zeigt einen graphenbasierten Verbundwerkstoff für die Hauptringe 36, welcher aus einer Kunststoffmatrix M besteht, in dem Graphenfasern GF lageorientiert eingelagert sind.
Anstelle der Graphenfasern GF kann aber auch eine aus Graphenfasern und Kohlenstofffasern GKF gezwirnte Faser in der Matrix M eingesetzt werden (siehe 7b).
In 7c ist ein Werkstoffverbund aus einem Kohlenstofffaserkern KK und einem Graphenfasergewebe GFG gezeigt.
Schließlich kann auch ein Kunststoffrohr KR mit einer Umwicklung aus Graphenfasergewebe GFG eingesetzt werden ( 7d). Diese Aufzählung und Darstellung ist beispielhaft, so dass auch andere graphenbasierte Verbunde im Rahmen der Erfindung liegen.
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Das Besondere des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes liegt darin, dass nicht nur die funktionstragenden Elemente des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes wie die Hauptringe 35 der Traggassegmente30.1, 30.2, 30.3, die Hilfsspanten 33 und 34, das Leitwerk 35, die Außenhülle 37, die Traggasbehälter 38, das Ballonett 62, die Streben und Stäbe 41 der Fachwerksstruktur 40 des Adapters 39, die Verkleidung 43 des Adapters 39, die Lasttraverse 57, die Gasbehälter 46, 47 und 78 aus einem Graphenfaser-Kohlenstofffaser-Composit bestehen, sondern auch der Brennstoffzellenbock 49 und die Pufferbatterien 50 des elektrischen Antriebsstrangs EA graphenbasiert sind.
Durch die besonderen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des Graphen ist es möglich, die oft gegenläufig wirkenden Eigenschaften der funktionstragenden Elemente und Aggregate des Starrluftschiffes einzeln und spezifisch gewichtssparend auszulegen. Im Ergebnis führt dies zu einer insgesamt deutlich reduzierten Masse des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes mit besserer Leistungsfähigkeit und Manöverierbarkeit.
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Die 8 stellt schematisch die Antriebskonfiguration des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes im Parallelbetrieb zwischen einem Verbrennungsenergie-Antriebsstrang und einem Elektroenergie-Antriebsstrang dar. Der Verbrennungsenergie-Antriebsstrang VA setzt sich aus einem Kompressor 63 zum Komprimieren des Wasserstoffs auf das erforderliche Druckniveau, der Wasserstoff-Gasturbine 44 zum Verbrennen des Wasserstoffs und Umwandeln der Verbrennungsenergie in Rotationsenergie, dem Generator 45 zum Erzeugen eines elektrischen Gleichstroms aus der Rotationsenergie, einem Umrichter 64 zum Wandeln des Gleichstroms in Wechselstrom, dem Elektromotor 46 zum Erzeugen eines Drehmomentes und optional einem Getriebe 65 zum Übertragen und Anpassen des Drehmomentes auf das PTL-Triebwerk 60 zum Erzeugen des Vortriebes in Abhängigkeit der Flugdaten zusammen.
Der Kompressor 63 ist zuströmseitig über Zuführleitungen 66 bzw. 67 mit dazugehörigen Ventilen 68 bzw. 69 an die Traggasbehälter 38 oder den Gasbehälter 48 angeschlossen. Abströmseitig ist der Kompressor 63 über die Zuführleitung 70 und Ventil 71 mit der Wasserstoff-Gasturbine 44 verbunden. Die Versorgung mit Wasserstoff erfolgt dabei entsprechend den vorliegenden Betriebsbedingungen entweder durch Zuschalten bzw. Abschalten der Traggasbehälter 38 oder des Gasbehälters 48 über die Ventile 68, 69 und 71.
Der Elektroenergie-Antriebsstrang EA besteht aus einem Brennstoffzellenblock 49 aus graphenbasierten Brennstoffzellen, der über eine Zuführleitung 72 und Ventil 73 mit Wasserstoff aus dem Gasbehälter 47 versorgt wird.
Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenblockes 49 bestehen aus Polymermembran-Brennstoffzellen mit Bipolarplatten aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff mit einem Füllstoff aus Graphenteilchen, Graphit und Ruß sowie einer Polymermembran mit reinen Graphenteilchen und/oder funktionalisiertem Graphen.
Die Ventile 68, 69, 71 und 73 stehen mit einem Bordrechner 74 über die Steuerleitungen 84 in Verbindung, der diese ansteuert.
Der Brennstoffzellenblock 49 ist darüber hinaus über eine Zuführleitung 75 und Ventil 76 mit einem weiteren Kompressor 77 verbunden, der den Brennstoffzellenblock 49 aus dem Sauerstoffbehälter 78 mit Sauerstoff versorgt.
Zum Elektroenergie-Antriebsstrang EA gehört eine Lithium-Ionen-Pufferbatterie 50, die mit dem Brennstoffzellenblock 49 verbunden ist. Der mit dem Brennstoffzellenblock 49 gewonnene Gleichstrom wird in der Pufferbatterie 50 gespeichert und über die Leitung 79 dem Umrichter 64 zum Umrichten des Gleichstroms in Wechselstrom zugeführt.
Über die Steuerleitungen 84 sind alle funktionsrelevanten Aggregate des Antriebs mit dem Bordrechner 74, der auch das Bordsystem 85 ansteuert, verbunden. Das Bordsystem 85 wird von der Pufferbatterie 50 über die Leitung 86 mit Strom versorgt.
Die Pufferbatterie 50 ist weiterhin mit in die Außenhülle 37 integrierten graphenbasierten Solarzellen 80 elektrisch verbunden, sodass der aus den Solarzellen gewonnene Gleichstrom die Pufferbatterie 50 zusätzlich auflädt.
Der hybride Parallelbetrieb aus Verbrennungsenergie-Antriebsstranges VA und Elektroenergie-Antriebsstranges EA gestattet es, den gesamten Antrieb energieoptimiert und umweltschonend zu betreiben sowie die Masse für die systemrelevanten Aggregate und Gasbehälter 46, 47 und 78 zu reduzieren.
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Die nachfolgende Beschreibung soll die Komplexität des Betreibens des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes und seine Vorteile verdeutlichen.
Das Betreiben des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes erfolgt auf der Basis eines autonomen Steuersystems, das telemetrisch vorrangig durch eine Bodenstation geführt und kontrolliert wird. Das Starrluftschiff ist auch in der Lage, völlig autonom durch eine vorherige flugsicherungstechnisch genehmigte Programmierung zu fliegen.
Neben dem Wasserstoffantrieb (Gasturbine 44) gibt es eine Reihe weiterer Anwendungen, die das Manöver des Luftschiffes vom Start bis zur Landung unterstützen. Dazu gehören u.a. die Aufnahme von unterschiedlichen Gasen an Bord in flüssiger Form, die Nutzung des negativen Joule-Thomson-Effektes zur Erzeugung höherer und niedrigere Temperaturen, die Bordstromversorgung über die Brennstoffzellen oder Pufferbatterien, die Steuerung über Integratoren zur Lageregulierung, Bordrechensystem mit zentralen Gasrechnern und zentralen aerostatischen sowie aerodynamischen Elastizitätsstrukturen und Festigkeiten.
Es gibt weitere Rechennetzwerke an Bord des Starrluftschiffes zur Havarieerfassung, zur Feuerbekämpfung, zum Monitoring usw.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Luftschiffes liegt insbesondere darin, dass nur ein Gasbevorratungssystem auf Basis von Wasserstoff notwendig ist. Die Realisierung von Trimmung und Ballastausgleich ist durch den gezielten Verbrauch an Wasserstoff mittels des energieoptimierten Hybridantriebs möglich, so dass sich ein separates Trimmsystem vermeiden oder auf ein Minimum einschränken lässt.
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Das erfindungsgemäße Starrluftschiff enthält vorzugsweise nur ein Traggassegment aus einem starren graphenbasierten Verbundwerkstoff oder Werkstoffverbund, dessen konstruktive Ausführung dem Flugzeugbau entlehnt ist. Mehrere derartige Traggassegmente, beispielsweise drei, sind zu einem Rumpf bzw. Tragkörper des Luftschiffes zusammengefügt. Durch die exzellenten mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde können erhebliche Masseneinsparungen realisiert werden. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Starrluftschiff dann, wenn die aus mehreren Traggas-Segmenten hergestellte Struktur mehrere mit Wasserstoff als Auftriebsgas befüllte oder befüllbare Traggasbehälter 38 umfasst. Die Anzahl und Größe der Traggasbehälter 38 definiert somit im Wesentlichen das Volumen des Traggases des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt insbesondere darin, dass bei extremen Witterungsbedingungen, Tornados, Hagelschauern bzw. Blitzschlag und daraus resultierenden Beschädigungen die Funktionsfähigkeit des Starrluftschiffes nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
Das Volumen eines Gasbereiches beträgt durchschnittlich 18.000 m3 pro Traggas-Segment 28. Ballonetts 62 übernehmen den Energieaustausch und regulieren außerdem das jeweilige Volumen in den Traggasbehältern 38.
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Das erfindungsgemäße Starrluftschiff unterscheidet sich von den bekannten Luftschiffkonstruktionen durch
- - massive Masseeinsparungen mittels des Einsatzes von graphenbasierten Verbundwerkstoffen oder Werkstoffverbunden bei allen funktionsrelevanten Elementen, Bauteilen, Aggregaten und Einrichtungen des erfindungsgemäßen Luftschiffes,
- - Verbesserung der Flug- und Betriebseigenschaften sowie der Wirtschaftlichkeit durch die insgesamt deutlich geringere Masse des erfindungsgemäßen Luftschiffes, wobei sowohl ein senkrechter als auch ein aerodynamischer Start- und Landevorgang ermöglicht wird,
- - Erhöhung der spezifischen Nutzlast bei Reduzierung der aufzubringenden Treibstoffmengen und -verbräuche infolge der geringeren Masse des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes,
- - kostengünstigere Anpassbarkeit des erfindungsgemäßen Starrluftschiffes an unterschiedliche Transportaufgaben infolge des modularen Aufbaus der Funktionsplattform unter Beibehaltung der Multifunktionalität. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Lösung die Funktionstüchtigkeit zweier unterschiedlicher Module (das Starrluftschiff und die Funktionsplattform) ermöglicht, wird ein schneller und harmonischer Start- und Landevorgang unter Einsparung von Wendezeiten gewährleistet,
- - eine weitgehende Emissionsfreiheit und Umweltverträglichkeit infolge des Hybridantriebs aus einer Wasserstoff-Gasturbine und einem graphenbasierten Brennstoffzellenblock und/oder einer graphenbasierten Lithium-Ionen-Batterie.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat das Potenzial, die Entwicklung einer eigenständigen Luftschiffindustrie hervorzubringen.
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Bezugszeichenliste
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| Stand der Technik |
| Starrluftschiff |
1 |
| Traggerüst |
2 |
| Luftschiffrumpf |
3 |
| Bugscheibe |
4 |
| Heckscheibe |
5 |
| Zellen |
6 |
| Traggassäcke |
7 |
| Ballonett |
8 |
| Außenhülle |
9 |
| Triebwerke |
10 |
| Verriegelungsteil |
11 |
| Bug-Hilfsspanten |
12 |
| Heck-Hilfsspanten |
13 |
| Ringe |
14 |
| Druckgasbehälter |
15 |
| Treibgasbehälter |
16 |
| Nutzlastplattform |
17 |
| Verankerungen |
18 |
| Gurte |
19 |
| Adapter |
20 |
| Kugelwanne |
21 |
| Lasttraverse |
22 |
| Cockpit |
23 |
| Aufhängung |
24 |
| Befestigungsrahmen |
25 |
| Hubwerk |
26 |
| Tragantriebe |
27 |
| Erfindung |
| Traggerüst |
28 |
| Starrluftschiff |
29 |
| Traggassegmente |
30.1, 30.2, 30.3 |
| Kalottenförmige Bugscheibe |
31 |
| Kalottenförmige Heckscheibe |
32 |
| Bug-Hilfsspanten |
33 |
| Heck-Hilfsspanten |
34 |
| Leitwerk |
35 |
| Hauptringe |
36 |
| Außenhülle |
37 |
| Traggasbehälter |
38 |
| Adapter |
39 |
| Fachwerksstruktur |
40 |
| Streben/Stäbe von 40 |
41 |
| Nutzraum |
42 |
| Verkleidung von 40 |
43 |
| Wasserstoff-Gasturbine |
44 |
| Generator |
45 |
| Elektromotor |
46 |
| Gasbehälter für Wasserstoff |
47 |
| Gasbehälter |
48 |
| Brennstoffzellenblock |
49 |
| Pufferbatterie |
50 |
| Cockpit |
51 |
| Bordrechner |
52 |
| Aufhängung |
53 |
| Kugelwanne |
54 |
| Verriegelungen |
55 |
| Funktionsplattform |
56 |
| Lasttraverse |
57 |
| Hubwerke |
58 |
| Bodenplatte |
59 |
| PTL-Triebwerk |
|
| (Propeller-Turbinen-Luftstrahl) |
60 |
| Haltearme |
61 |
| Ballonett |
62 |
| Kompressor |
63 |
| Umrichter |
64 |
| Getriebe |
65 |
| Zuführleitungen |
66, 67, 69, 72, 77 |
| Ventile |
68, 69, 71, 73, 76 |
| Bordrechner |
74 |
| Kompressor |
77 |
| Sauerstoffbehälter |
78 |
| Verbindungs leitung |
79 |
| Solarzellen |
80 |
| Öffnung in 59 |
81 |
| Verankeung an 59 |
82 |
| Seilzüge an 58 |
83 |
| Steuerleitungen |
84 |
| Bordsystem |
85 |
| Leitung |
86 |
| Elektroenergieantriebsstrang |
EA |
| Graphenfaser |
GF |
| Graphen/Kohlenstofffaser |
GKF |
| Kohlenstofffaserkern |
KFK |
| Graphenfasergewebe |
GFG |
| Längsachse von 29 |
LA |
| Matrix |
M |
| Verbrennungsenergieantriebsstrang |
VE |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009003122 A1 [0002, 0006, 0026]
- DE 19904278 A1 [0005]
- DE 102006057808 A1 [0006]
- DE 4018749 C2 [0006]
- EP 643659 B1 [0006]
- DE 1020089003122 A1 [0026]
