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Die Erfindung betrifft ein windgetriebenes, steuerbares Luft-Wasser-
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Fahrzeug, das aus einem flächig ausgebildeten Schwimmkörper und einem
steuerbaren von einem Piloten bemannten Flugkörper besteht, die durch ein oder mehrere
Seile miteinander verbunden sind.
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Steuerbare, windgetriebene Wasser-Failrzeuge sind als Segelboote wohl
bekannt. Sie bestehen aus einem Schwimmkörper, auf dem mit Stangen ein Segel in
der Luft ausgebreitet wird mit dem Zweck Windkräfte auf das Fahrzug zu üoertragen
und von dem aus ein im wesentlichenebenflächig ausgebildetes Schwert senkrecht oder
nahezu senkrecht ins Wasser ragt, mit dem Zweck einen hohen Strömungswiderstand
nach der Seite und einen geringen Strömungswiderstand in der Fahrtrichtung zu erzeugen.
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Bekannt sind ebenso steuerbare Flugkörper ohne eigenen Antrieb als
Sangegleiter und Segelflugzeuge.
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Solche Flugkörper ohne eigenen Antrieb erhalten die zum Fliegen notwendige
Geschwindigkeit durch Abwärtsgleiten und können ihre Flughöhe infolgedessen nur
in solchen Gebieten halten, oder steigern, in denen die Luftströmung eine nach oben
gerichtete vertikale Komponente, sei es durch Thermik, sei es durch Hangaufströmung
besitzt.
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Bekannt sind ferner s. g. Drachen. Das sind unbemannte oder bemannte
Flugkörper die durch ein Seil mit einer Verankerung am Boden in Verbindung stehen
und die zum AuStrieb erforderliche Luftströmung durch Wind, der keine Vertikalkomponente
zu haben braucht, erhalten. Als Verankerung des am Flugkörper befestigten Seiles
dienen herkömmlich auch Schleppfahrzeuge, die auf dem Lande, auf dem Wasser oder
in der laift mit Motorkraft angetrieben sind und die durch ihre Geschwindigkeit
dem Flugkörper, die zu seinem Auftrieb erforderliche Luft;-strömung verxitteln.
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Ein Nachteil dieser Verankerung des Flugkörpers ist es, daß sie ihn
bei fester BoBenverankerung ortsgebunrien halt. Bei Verankerung an einem Schleppfahrzeug
sind die Flugkörper zwar ortavariabel, können aber dieses Fahrzeug nicht steuern
und sind auf seine Antriebsenergie - im a).lgemeinen Verbrennungsenergie - angewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bemannten, steuerbaren
Flugkörper zu schaffen, der durch Seile mit einem im Wasser befindlichen Schwimmkörper
derart verbunden ist, daß der im Wasser befindliche Schwimmkörper einerseits als
Verankerung dient, andererseits aber beweglich und vom Flugkörper aus zu steuern
ist. Auf diese Weise wird eine durch Windenergieangetriebene Kombination aus Luft-
und Wasser-Fahrzeug geschaffen, mit der es möglich ist, aus allen Kursen relativ
zur Windrichtung zu segeln mit Ausnahme der Kurse, die von der Windrichtung um einen
kleineren Winkel abweichen als 45 °.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein windgetriebenes, steuerbares
Iaift-Wasser-Fahrzug, das gekennzeichnet ist durch die Kombinaticn aus a) einem
flächig ausgebildeten Schwimmkörper mit geringem Wuserwiderstand in seiner Iiängsrichtnng
und hohem Wasserwiderstand in der Querricktung, dessen Fläche untergetaucht senkrecht
im Wasser an der Oberfläche steht, b) einem steuerbaren, durch einen Piloten bemannten
Flugkörper, der so ausgebildet i£t, daß die Fläche des Schwimmkörpers ein hundertstel
bis ein zehntel der tragfläche des Flugkörpers beträgt und daß Schwimikörper und
Flugkörper durch ein oder mehrere Seile miteinander verbunden sind, wobei der senkrecht
auf die Horizontalebene projezierte Winkel zwischen der Zugrichtung der Seile und
der längsachse des Schuiolmkärpers durch eine Steuervorrichtung vom Piloten des
Flugkörpers verandert werden kann.
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Eine besondere Aus führungs form der Erfindung ist ein Inift-Wasser-Fahrzeug
bei dem die Steuerung mechanisch durch zwei Seile erfolgt, deren Zug auf den Schwimmkörper
durch zwei 1 - 10 m voneinander entfernt angebrachte, um Je eine senkrechte Achse
drehbare und zu dieser Achse senkrecht stehende starre Schwenkarme, deren länge
das 0,7 bis 2,5-fache des Schwimmkörpertiefgangs beträgt, übertragen wird und deren
Zug auf den Flugkörper vor dessen Auftriebsschwerpunkt im Abstand von weniger als
1 m angreift.
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Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist ein Inift-Wasser-Fahrzeug,
bei dem die Steuerung elektrisch erfolgt indem bei einer Verbindung durch ein Seil,
dessen Zug auf den Schwimmkörper durch einen in der Mitte des 8chwimmkörpers angebrachten,
um eine senkrechte Achse drehbaren und zu dieser Achse senkrecht stehenden starren
Schwenkars, dessen Länge das 0,7 bis 2,5-fache des Scbwimmkörpertiefgangs beträgt,
übertragen wird, der Winkel des Schwenkarmes mit der Schwimmkörperlängsachse verändert
wird.
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Flächig ausgebildete Schwimmkörper mit großem Strömungsviderstand
in einer und geringem Strömungswiderstand in der dazu senkrechten Richtung, die
senkrecht im Wasser unter der Oberdläche gehalten werden,sind als Kiel oder Schwert
von Segelbooten wohl bekannt und beschrieben. Ihre stabile senkrechte oder nahezu
senkrechte Lage im Wasser erhalten sie durch Auftriebskörper einerseits und Ballast
andererseits. In diesem Falle handelt es sich um Getacht8stabilität. Auch solche
Eonstruktionen, bei denen du Schwert durch Ausleger oder durch die Form des Auftriebskörpers
in seiner nahezu senkrechten Lage gehalten wird, sind bekannt und werden formstabil
genannt.
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Gewichtsstabile und formstabile Schwimuikörper mit hohem Strömungswiderstand
in einer und niedrigem Strömungswiderstand in der dazu senkrechten Richtung sind
als solche wohl bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
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Als steuerbarer Flugkörper können alle Segelflugzeuge und Hängegleiter
dienen, die bei geringen Fluggeschwindigkeften günstiges Gleitverhalten besitzen.
Unter geringen Fluggeschwindigkeiten sollen Geschwindigkeiten von 5 -15 m/Sekunde
verstanden werden.
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unter günstigem Gleitverhalten ein solches, das den Flugkörper bei
einem horizontalen Gleitweg von 6 - 20 m nicht mehr als 1 m absinken läßt. Solche
Flugkörper für sich sind wohl bekannt und beschrieben, z. B. in "Drachenfliegen"
von Hocke, Janssen und Seidenather Tymphenburger-Verlagshandlung GmbH*und für sich
nicht Gegenstand der Erfindung. An den Seiten werden sie mit je einem Auftriebskörper
versehen.
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Figur 1 zeigt als Beispiel für einen mechanich gesteuerten Schwimmkörper
a die Seitenansicht b die Vorderansicht und c seine Projektion auf die Horizontalfläche.
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Der Schwimmkörper besteht aus dem Auftriebskörper 2 und dem Schwert
1. Die Länge des Auftriebskörpers beträgt das 2 - 5-fache des Schwimmkörpertiefganges
6, damit bei Fahrt durchs Wasser ein Überschlagen des Schwimmkörpere in Fahrtrichtung
vermieden wird. Der Schwimmkörper ist bezüglich einer Ebene 8, die in seiner Mitte
senkrecht auf seiner Längsachse steht spiegelsymetrisch gebaut.
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Ausgabe 1976
Das Schwert ist eine nahezu ebene Fläche
mit einer leichten einachsigen Krümmung. Die Achse der Krümmung ist senkrecht zu
Figur 1 c. Die Abweichung der Krümmung von der Ebene kann bis zu 1/20 betragen.
Die hohle Seite der Krümmung weist in Seilzugrichtung.
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Auf dem Auftriebskörper 2 sind zwei starre Schwenkarme 3 angebracht,
deren Schwenkachsen 5 senkrecht auf der Zeichenebene von Figur 1 c stehen und den
Abstand a = 1 bis 1C m vonvinander haben. Die Länge der Schwenkarme beträgt das
C,7 - 1,5-fache des Schwimmkörpertiefgangs 6. Am achsenabgewandten Ende der Schwenkarme
3 sind die Verbindungsseile 4, die zum Flugkörper führen, befestigt. Die Verbindungsseile
bestehen aus korrosionsfestem Strahl oder aus Kunststoff mit einer Bruchlast von
1000 N.
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Die Länge der Seile kann vom Piloten relativ zueinander verändert
werden. Damit verändert sich die Zugrichtung der Seile auf den Schw.mmk per.
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Figur 2 zeigt die Gesamtansicht eines mechanisch gesteuerten DuSt-WPsser-Fahrzeuges
aus drei zueinander senkrechten Raumrichtungen: In Figur 2 a ist die Blickrichtung
senkrecht zur Wasseroberfläche.
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In Figur 2 b ist die Blickrichtung in der Richtung des wahren Windes
12 (Narchaj: Segeltheorie Verlag Delius Klasing + Co. 1971).
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In Figur 2 c ist die Blickrichtung horizontal und senkrecht zur Richtung
des wahren Windes 12.
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Der Flugkörper 10 ist durch die Seile 4 und die Schwenkarme 3 mit
dem Schwimmkörper 2 verbunden. Am Flugkörper greifen die Seile an der Steuervorrichtung
11 an. Die Winkelhalbiercnde der beiden Seile ist die Zugrichtung. Ihre Projektion
auf die Horizontale, Figur 2 a, bilaet mit der Senkrechten zur Schwimmkörperlängsachse
den Winkels( Der Zug 13 hat eine Kraftkomponante 15 in Richtung der Schwinmkörperlängsachse
und eine Kraftkomponente 14 quer dazu. Letztere wird durch den nohen Wasserwiderstand,
den der Schwimmkörper einer Bewegung in Querrichtung entgegensetzt, aufgenommen.
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Der Kraft 15 steht nur der kleine Wasserwiderstand des Schwimmkörpers
in Richtung seiner Längsachse entgegen. Der Schwimmkörper führt eine Bewegung in
der Richtung 16 aus, die nur um einen kleinen Abdriftwinkel von der Richtung seiner
längsachse abweicht.
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Flugkörper und Schwimikörper behalten bei dieser Bewegung ihre Lage
zueinander bei.
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Die Seilführung der mechanischen Steuerung am Flugkörper sei für zwei
Fälle beschrieben: In Fall 1, ist die Gesamtlänge der Seile 4 konstant gehalten.
Nur ihre Relativlänge wird verändert. Sie verlaufen über eine Rolle 11 (Figur 2)
in sich selbst. D. h. also beide Seile sind die Enden eines Seiles deren Länge der
Pilot relativ zueinander verändern kann.
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Dies geschieht durch Drehen der Rolle 11 z. B. mittels einer Zahnradübertragung,
die durch einen um den Steuerbügel geführten Seilzug zu betätigen ist. Durch Abwerfen
der Bolle 11 kann der Pilot den Flugkörper vom Seil lößen.
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In Fall 2 wird die Relativlängenänderung durch Inderung der Absolutlänge
je eines Seiles hervorgerufen. An der Steuervorrichtung des Flugkörpers anstelle
der Rolle 11 (Figur 2) befinden sich zwei Spulen mit je einem Seilvorrat. Die Spulen
werden durch Je eine Bremse am Abspulen gehindert. Die Bremse kann durch den Piloten
gelöst werden, wodurch eine gewisse vom Piloten steuerbare Seillänge von der Spule
abgezogen wird. In diesem Fall wird durch Jeden Steuervorgang der Abstand zwischen
Flugkörper und Schwisikörper vergrößert. Der Flugkörper kann durch Abwerfen der
beiden Yorratsspulen durch den Piloten von der Seilverbindung gdist werden.
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Figur 3 zeigt als Beispiel einen elektronisch gesteuerten Schwimmkörper
in Protektion auf die Horizontal fläche. Die Yorderansicht dieses Schwimmkörpers
gleicht Figur 1 b. Die Ziffern bezeichnen die gleichen Teile des 8chwimmkorpers
wie in Figur 1. Der Unterschied zu Figur 1 besteht darin, daß nur ein Sc,renkar
3 in der Mitte des Schwimmkörpers angebracht ist. 8çin Winkel o( zur 8chwimmkörperquerachse
wird
durch die Elektronik E vom Piloten des Flugkörpers ferngesteuert. Schwimmkörper
und Flugkörper sind über ein Seil 4 miteinander verbunden.
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Das beschriebene Luft-Wasser-Fahrzeug wird folgendermaßen in Betrieb
genommen: Pilot und Flugkörper, beide mit ausreichenden Auftriebskörpern versehen,
schwimmen neben dem Schwimmkörper und mit diesem durch die Seile verbunden im Wasser.
Der Pilot hält den Bug des Flugkörpers abwärts geneigt gegen den Wind. Pilot und
Flugkörper treiben vom Wind getrieben solange quer ab vom Schwimmkörper, der durch
seine Form am Abtreiben gehindert ist, bis die Verbindungsseile straff sind. Die
Verbindungsseile sind in diesem Anfangsstadium gleich oder nahezu gleich lang. Nun
begibt sich der Pilot unter den Flugkörper, dessen Bug er dabei weiterhin abwärtsgeneigt
hält und befestigt sich am Flugkörper. Zum Start neigt der Pilot den Flugkörper
nech hinten, sodaß der Bug schräg aufwärts weist. Der Wind, der eine Geschwindigkeit
von 5 bis 10 m/s haben muß, hebt nun den Flugkörper mit dem Piloten aus dem Wasser,
während der Schwimmkörper langsam, durch den hohen Wasserwiderstand in Querrichtung
gebremst, in Windrichtung durch das Wasser gezogen wird.
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Die Steuerung des Flugkörpers ist von Hocke u. a. für den frei fliegenden
Flugkörper beschrieben, Den durch Seile gefesselten Flugkörper muß der Pilot so
steuern, daß die Querstange des Flugkörpers senkrecht zur Zugrichtung des Seiles
bzw. der Winkelhalbierenden der zwei Seile liegt. Im Anfangsstadium weist die Seilverbindung
vom Flugkörper aus in Windrichtung.
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Durch seitliche Schwerpunkt sverl agerirng wird nun der Flugkörper
so weit nach der Seite gekippt, daß die Vertikalkomponente des Auftriebs das Gewicht
von Flugkörper und Pilot noch trägt. Die nun auftretende Horizontalkomponente der
Auftriebskraft läßt das Seil aus der Windrichtung in die Richtung dieser Horizontalkomponente
auswandern.
Bei mechanischer Steuerung durch zwei Seile muß der Pilot nun den Steuermechanismus
des Seilzuges derart betätigen, daß dasjenige Seil relativ verkürzt wird, welches
an dem Ende des Schwimmkörpers hängt, das in gleiche Richtung mit der Horizontalkomponente
der Auftriebskraft des seitlich geneigten Flugkörpers weist.
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Die Horizontalkomponente der Auftriebskraft besitzt nun eine Komponente
parallel zur Schwimmkörperlängsachse und eine Komponente senkrecht dazu. Die senkrecht
auf die Horizontalebene projezierte Richtung des Seilzuges weist in Richtung der
Resultierenden dieser Komponenten. Das VektordiagrnmmFgleicht des eines üblichen
Segelfahrzeuges und zur Optimierung der Eräfteverhåinisse gelten die aus der Theorie
des Segelns bekannten Gesetzmäßigkeiten siehe Marchaj, Danach ist auch die Fahrt
am Wind möglich, bei der das Luft-Wasser-Fahrzeug in einem spitzen Winkel zur Windrichtung
hin bewegt wird.
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Das aus der Praxis des Segelns bekannte ngreuzen", bei dem das Segelfahrzeug
Raum in Windrichtung gewinnt, wird mit dem erfindungsgemäßen Luft-Wasser-Fahrzeug
wie folgt bewerkstelligt: Nach einer Fahrt schräg gegen den Wind in einer Richtung
richtet der Pilot den Flugkörper aus seiner seitwärts geneigten Lage auf unter glcichzeitiger
Bedienung des Seilzuges derart, daß bei Horizontallage des Flugkörpers die beiden
Seile gleich lang sind, der Seilzug somit quer zur Schwimmkörperlängsachse weist.
Ohne Unterbrechung neigt der Pilot nun den Flugkörper nach der anderen Richtung
unter gleichzeitiger Veränderung der relativen Seillänge. Bei der nun einsetzenden
Bewegung des Schwimmkörpers sind gegenüber der vorigen sein Bug und Heck vertauscht.
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Bei elektronischer Steuerung sorgt der Pilot dafür, daß an der Seite,
nach der sein Flugkörper geneigt ist, der Schwenkarm des Schwimekörpern mit dessen
Längsachse einen spitzen Winkel bildet.
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13, 14, 15, Figur 2 a
Die Wasserung erfolgt, indem
der Pilot den Flugkörper mit seiner Querachse in die Horizontallage bringt und durch
Verringerung des Winkels zwischen seiner Längsachse und der Horizontalen zum Niedergehen
bringt.
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Eine zweite Möglichkeit zu wassern besteht darin, die Seile abzuwerfen
und mit dem Flugkörper abwärts zu gleiten.