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Flugobjekt
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Flugobjekt mit einem Antriebselement,
in dem die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld ausnutzbar
ist.
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Es ist verschiedentlich vorgeschlagen worden, die Wechselwirkung zwischen
einem stromdurchflossenen Leiter und dem Erdmagnetfeld zum Vortrieb von Flugobjekten
auszunutzen oder wenigstens zu deren Steuerung. Da das Erdmagnetfeld -4 sehr schwach
ist (etwa o,46 Gauss bzw. 0,46.10 ' Tesla) müßten immense Vorkehrungen getroffen
werden, um so hohe Stromstärken und damit Magrretfelder zur Verfügung zu stellen,
daß ein wirksamer Antrieb des Flugobjektes erzielt werden kann. Selbst mit Hilfe
der Supraleitung könnten derartige Flugobjekte heute nicht realisiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flugobjekt zu schaffen
und insbesondere dessen Antriebselement so zu modifizieren, daß das Flugobjekt mit
Hilfe des Erdmagnetfeldes wirksam und wirtschaftlich angetrieben und gesteuert werden
kann.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
das
Antriebselement zumindest eine stromdurchflossene astatische Spule sowie einen der
Spule zugeordneten Magnetverstärkungskörper zur Konzentrierung der Magnetfeldlinien
in der Nähe der Spule aufweist.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß eine astatische
stromdurchflossene Spule, d.h. eine Spule, die in einem äußeren homogenen Magnetfeld
kein Drehmoment erfährt, einen Schub senkrecht zu den Magnetfeldlinien erzeugt.
Dieser Schub kann um ein Vielfaches verstärkt werden, wenn die Magnetfeldlinien
des äußeren Magnetfeldes durch einen Magnetverstärkungskörper, z.B. eine Beschichtung
der Spulenleiter selbst oder eines separaten Konzentrationskegels mit einer magnetischen
Dünnschicht, in der Nähe der Spule konzentriert werden. Hierdurch lassen sich Verstärkungsfaktoren
erzielen, die weit über denjenigen liegen, die aufgrund der Supraleitung erreicht
werden können. Durch Kombination von Supraleitung und Magnetfeldlinienkonzentration
können auch schwere Flugobjekte angetrieben werden.
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Das Antriebselement weist vorzugsweise eine supraleitende astatische
Flachspule sowie einen konzentrischen Magnetverstärkungsring auf, der mit einem
kegelstumpfmantelförmigen Magnetfeldleitkörper verbunden ist. Der Magnetfeldleitkörper
konzentriert die Feldlinien des äußeren Magnetfeldes, die über den Magnetverstärkungsring
in der Nähe der Spule vorbeigeführt werden.
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Mehrere derartige Antriebselemente können kreisförmig um eine Flugkabine
angeordnet werden, wobei dann zweckmäßig allen Spulen ein gemeinsamer Magnetfeldleitkörper
aus einem äußeren und einem inneren Kegelstumpfmantel zugeordnet
ist.
Die Flugkabine ist dann im Innern des inneren Kegelstumpfmantels gelegen. Durch
Rotation des äußeren Kegelstumpfmantels kann mch ein Luftauftrieb in der Stratosphäre
erzeugt werden. Das Flugobjekt wird gesteuert durch Verdrehen und Verschwenken der
Antriebselemente bzw. der astatischen Spulen; auch eine zusätzliche Luftsteuerung
kann vorgesehen werden.
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Anstelle eines Antriebselementes mit einer Flachspule und einem Magnetkonzentrationskegel
kann auch eine astatische Raumspule, z.B. eine Zylinder-Raumspule vorgesehen werden,
bei der die Spulenleiter mit einer magnetischen Dünnschicht zur Konzentration der
Magnetfeldlinien beschichtet sind.
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Auch hier kann zusätzlich ein separater Magnetverstärkungskegel eingesetzt
werden.
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Das Flugobjekt wird gesteuert, indem die einzelnen Flachspulen eines
Antriebselementes unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Vorzugsweise ist jede
Flachspule in mehrere, insbesondere in zwei je eine Spulenhälfte umfassende Leiterzweige
unterteilt, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Hierdurch können Schubkräfte
erzeugt werden, die nicht nur eine senkrechte, sondern eine beliebige winkelrichtung
gegenüber der Magnetfeldrichtung haben. Durch mehrere Antriebselemente, die mit
der Flugkabine des Flugobjektes verbunden sind, und durch entsprechende Auswahlansteuerung
der astatischen Spulen kann das Flugobjekt in jede beliebige Richtung gesteuert
werden. Zusätzlich kann das Flugobjekt noch aerodynamisch gesteuert werden.
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Ein Antriebselement für ein Flugobjekt gemäß der Erfindung
kann
außerdem auch mit herkömmlichen Flugzeugen z.B. zur Unterstützung des Starts, des
Vortriebes und der Landung verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert sind. In der Zeichnung stellen dar: Fig. 1
eine Seitenansicht eines Antriebselementes, das für ein Flugobjekt gemäß der Erfindung
verwendet wird; Fig. 2 eine Aufsicht auf eine kreisförmige astatische Flachspule
für das in Fig. 1 dargestellte Antriebselement; Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Flugzeug,
das mit zwei Antriebselementen nach Fig. 1 ausgestattet ist; Fig. 4 eine teilweise
aufgebrochene Seitenansicht eines Flugobjektes gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine
Aufsicht auf das Flugobjekt gemäß Fig. 4; Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines
weiteren Flugobjektes gemäß der Erfindung; Fig. 7 eine schematische Ansicht einer
für das
Flugobjekt gemäß Fig. 6 verwendeten astatischen Flachspule;
Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Teil eines Außenleiters der in Fig. 7 dargestellten
Flachspule.
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In Figur 1 ist ein Antriebselement 1 für ein Flugobjekt dargestellt,
das in einem äußeren Magnetfeld, hier dem Erdmagnetfeld B einen Schub S erzeugt.
Das Antriebselement weist eine astatische Spule 2 (vgl. Fig. 2) auf, deren Außenleiter
2a einen Kreis bilden. Die Innenleiter 2i laufen entlang von Kreissekanten nahe
dem Kreismittelpunkt.
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Außen- und Innenleiter werden so mit Strom i durchflossen, daß die
Stromrichtungen jeweils in den gegenüberliegenden Außen- bzw. Innenleitern gleich
sind. Anschlußpunkte für die Stromzuführung sind mit A und E bezeichnet. Die Leiter
der Spule sind Folienstromleiter 21 aus supraleitfähigem Material.
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Die Flachspule 2, die selbstverständlich auch aus mehreren Wicklungen
gemäß Fig. 2 bestehen kann, ist in einem Behälter 3 aus magnetisch durchlässigem
Material gelagert, der mit flüssigem Helium gefüllt ist, das die Spule 2 auf einer
Temperatur hält, die Supraleitung gestattet.
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Direkt unterhalb der Spulenebene (Fig. 1) ist ein zur Kreisspule konzentrischer
Magnetverstärkungsring 31 eines Magnetverstärkungskörpers 30 vorgesehen, der außerdem
einen, mit dem Magnetverstärkungsring verbundenen Kegelstumpfmantel 32 aufweist.
Der Magnetverstärkungsring besteht aus Magnetmaterial, z.B. nichtrostenden Fe-Ni-Cr-Verbindungen,
während der Kegelstumpfmantel 32 lediglich eine dünne Beschichtung
33
aus einem solchen Magnetmaterial aufweist; die Beschichtung 33 nimmt außerdem längs
der Kegelmantellinien in Richtung auf den Magnetverstärkungsring 31 in der Dicke
zu. Die Beschichtungsdicke beträgt etwa 0,02 bis 0,25 mm. Der Kegelstumpfmantel
32 ist außerdem in einzelne Segmente 35 unterteilt, die durch offene Trennspalte
36 magnetisch voneinander getrennt sind. Hierdurch werden die Magnetfeldiinien innerhalb
der Segmente geführt und Querströme über die Segmentgrenzen hinaus verhindert.
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Der Kegelstumpfmantel 32 kann daher als Magnetfeldleitkörper bezeichnet
werden.
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Das beschriebene Antriebselement 1 erfährt im Erdmagnetfeld B einen
Schub S, der durch die Stärke des Magnetfeldes, die Stromstärke in der Spule, die
wirksame Länge der zum Schub beitragenden Außenleiter 2a, die in diesem Fall gleich
dem Durchmesser der Kreisspule ist, den Winkel zwischen Spulenebene und Magnetfeldvektor
und durch die Windungszahl der Spule bestimmt wird. Es kann nachgewiesen werden,
daß das Antriebselement mit 40 Spulenwindungen bei einem Gewicht von 1000 kg einen
Schub von etwa 10.000 kg im Erdmagnetfeld liefert.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, können zwei derartige Antriebselemente 1 unter
den Flügeln eines herkömmlichen Flugzeuges 5 befestigt werden. Die Antriebselemente
sind dreh- und schwenkbar gelagert, so daß die Spulenebene und die Stromrichtung
gegenüber dem Erdmagnetfeldvektor verstellt werden können. Ohne Stromabschaltung
der astatischen Spulen können dann die Schubvektoren S so eingestellt werden, daß
ein Auf- und Abstieg, Vortrieb und Stillstand des Flugzeuges erzielt werden. Das
Flugzeug kann im Flug mit üblicher Luftsteuerung geführt werden.
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In den Fig. 4 und 5 ist ein Flugobjekt 5 dargestellt, das sechs Antriebselemente
aufweist, die hinsichtlich des Magnetverstärkungskörpers gegenüber dem Antriebselement
gemäß Fig. 1 modifiziert sind. Das Flugobjekt weist eine zentrale Flugkabine 51
auf, um die längs eines Kreises sechs supraleitende Kreisspulen 21 bis 26 mit entsprechenden
Magnetverstärkungsringen 31 angeordnet sind. Der Magnetfeldleitkörper 32 besteht
aus einem äußeren Kegelstumpfmantel 52, der sich nach unten erweitert (Fig. 4) und
mit seinem oberen Rand mit den Magnetverstärkungsringen 31 verbunden ist, sowie
aus einem inneren Kegelstumpfmantel 53, der mit seinem oberen Rand ebenfalls mit
den Magnetverstärkungsringen 31 verbunden ist, sich jedoch nach unten verjüngt.
Der äußere Kegelstumpfmantel ist auf seiner Außenseite, der innere Kegelstumpfmantel
auf seiner Innenseite mit einer Beschichtung 33 aus Magnetmaterial versehen, deren
Dicke in Richtung auf die Magnetverstärkungsringe 31 zunimmt. Außerdem sind die
Kegelstumpfmäntel 52 und 53 aus den oben genannten Gründen in Segmente 55 unterteilt,
die durch Trennfugen bzw. Trennspalte 56 voneinander getrennt sind.
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Die Flugkabine 51 ist innerhalb des inneren Kegelstumpfritzels mittels
Befestigungslagern 57 gelagert und trägt auf ihrem Dach eine Vorrichtung 58 zur
Luftsteuerung des beschriebenen Flugobjektes.
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Ähnlich wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Flugzeug können durch
Verdrehen der Kreisspulen 21 bis 26 die Schubvektoren S der einzelnen Antriebselemente
verstellt werden, so daß Auf-, Abstieg, Vortrieb mit Richtungsänderungen und Stillstand
des Flugobjektes erreicht werden.
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Es ist ferner durch hier nicht dargestellte Einrichtungen möglich,
die beiden Kegelstumpfmäntel, zumindest jedoch den äußeren Kegelstumpfmantel 52
in Rotation zu versetzen (Pfeil p in Fig. 5), wodurch ein zusätzlicher LuftauEtrieD
in der Stratosphäre erzielt werden kann. Die Flugkabine 51 dreht sich dabei nicht.
Während der Rotation der Keyelstumpfmäntel werden die Spulen in ihrer Ebene so gedreht,
daß die Schubrichtung konstant bleibt. Durch eine relative Verdrehung der Spulen
zueinander können Auf, Abstieg, Vortrieb und Stillstand reguliert werden.
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Das Flugobjekt 5 wird auf einem Flugplatz z.B. durch Induktion mit
Energie versorgt, wobei die astatischen Kreis spulen auf Supraleitungstemperatur
gebracht werden. Durch Ausschalten der Induktionsquelle und nachfolgendes Zusammenbrechen
des Induktionsfeldes entsteht in den astatischen Spulen Supraleitung. Das Flugobjekt
kann dann zu einem neuen Bestimmungsort gesteuert werden.
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In Fig. 6 ist ein weiteres Flugobjekt 6 dargestellt, das aus einer
hier zylinderförmigen Flugkabine 61 und zwei Antriebselementen 62 besteht, die zu
beiden Stirnseiten der Flugkabine angeordnet sind. Von den Antriebselementen ist
eines offen dargestellt, während das andere von einer Verkleidung 63 abgedeckt ist.
Das Antriebselement besteht aus vier astatischen Rechteck-Flachspulen 21 bis 24r
deren Form schematisch in Fig. 7 dargestellt ist.
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Die Stromversorgung ist wiederum so, daß in den Außenleitern 2a und
in den Innenleitern 2. der Strom i jeweils gleiche Richtung hat, die Stromrichtungen
in den Außen-und Innenleitern jedoch verschieden sind. Die Spulen sind so ineinander
verschachtelt, daß die Außenleiter 2a in gleichen Umfangswinkelabständen längs Mantellinien
eines
gedachten Zylinders und die Innenleiter 2i konzentrisch um
die Mittelachse des Zylinders verlaufen; hierdurch entsteht eine astatische Zylinder-Raumspule
64. Die Leiter der Zylinder-Raumspule sind Rohrleiter 65, die mit radialen Kühlblechen
66 zum Abführen der Stromwärme ausgerüstet sind (vgl. Fig. 8). Zwischen den Xühlblechen
ist der Rohrleiter mit einer Beschichtung 33 aus Magnetmaterial versehen, wobei
nebeneinander liegende Beschichtungen an den Kühlblechen 66 durch Trennspalte 67
magnetisch voneinander getrennt sind. Die Beschichtung 33 kann auch aus dem gleichen
Material wie der Rohrleiter bestehen. Der Rohrleiter kann außerdem mit einem Metall
68 niedrigen spezifischen Gewichts und niedrigen Schmelzpunktes, z.B. Lithium oder
Natrium gefüllt werden, so daß die Strombelastung trotz niedrigen Gewichtes der
Spulen sehr hoch gewählt werden kann.
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Sind alle Spulen der Zylinder-Raumspule eingeschaltet, so erzeugt
das Antriebselement 62 einen Schub S senkrecht zu den Magnetfeldlinien B. Bei einem
mit Lithium gefüllten Aluminium-Rohrleiter 65 mit einem Innenquerschnitt von 1 cm2
entsprechend einem lichten Innendurchmesser von 12 mm und einer Wandstärke von wenigen
10-tel Millimetern, einer Länge der Außenleiter der Rechteckspulen von -1 m und
einer Strombelastung von 10 000 A/cm2 sowie einer 160-fachen Verstärkung des Erdmagnetfeldes
durch die Beschichtung 33 erzeugt eine Rechteckspule einen Schub, der am Äquator
etwa dem 15-fachen, am 50. Breitengrad etwa dem 8-fachen des Eigengewichts entspricht.
Durch entsprechende Anzahl der Spulen und Spulenwicklungen kann damit ein Schub
erzeugt werden, mit dem auch große und schwere Flugobjekte angetrieben werden können.
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Durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Rechteckspulen kann außerdem
die Schubrichtung der Antriebselemente hinsichtlich der Magnetfeldrichtung verstellt
werden. Hierzu werden die Spulenhälften separat angesteuert, wie dies in der Schemadarstellung
gemäß Fig. 7 angedeutet ist, und zwar haben die Außenleiter 2a' jeweils einen eigenen
Stromanschluß, während die Innenleiter 2i zusammengeschaltet und mit dem anderen
Pol der Stromquelle verbunden sind. Zur Einschaltung des Spulenstromes für die beiden
Spulenhälften sind in den Anschlußleitungen für die Außenleiter 2' jeweils Schalter
69 vora gesehen; anstelle dieser Schalter können auch Stromregler verwendet werden,
die eine kontinuierliche Änderung des Stromes und damit auch des Schubes gestatten.
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Dies sei kurz anhand der Spulenanordnung in Fig. 6 erläutert; die
dort senkrechte Rechteckspule, deren Ebene in Magnetfeldrichtung liegt, ist mit
21 und die folgenden Rechteckspulen im Uhrzeigersinn gesehen mit 22, 23 und 24 bezeichnet.
Im folgenden sind die Ausdrücke oben", "unten", rechts und "links" auf die Anordnung
der Fig. 6 bezogen.
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Werden die Spulen 21 22 und 24 lediglich in ihren oberen Spulenhälften
vom Strom durchflossen, entsteht ein zum Magnetfeld senkrechter Seitenschub, der
von den Inneniaitern bestimmt ist. Dieser Seitenschub ist dem Schub S bei insgesamt
eingeschalteter Zylinder-Raumspule entgegengerichtet. Durch die Außenleiter wird
eine Rotation um die Längsachse des Flugobjektes sowie ein schräger Achsschub erzeugt.
Um die Rotation nicht auf die Flugkabine zu übertragen, ist das Antriebselement
in der Stirnseite der Flugkabine um die Längsachse des Flugobjektes
drehbar
gelagert. Wird die Rotation zu schnell, so werden die entgegengesetzten Spulenhälften
zustzlich eingeschaltet. Die Rotation wird dadurch gebremst, während der Achsschub
der Innenleiter erhalten bleibt.
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Werden die oberen Spulenhälften der Spulen 21 und 24 von Strom durchflossen,
entsteht ein schräger Seitenschub auf- oder abwärts zum Magnetfeld der Erde. Die
Richtung wird durch die Innenleiter bestimmt, und zwar erzeugen die Außenleiter
eine Rotation und schrägen Achsschub und die Innenleiter einen senkrecht zum Magnetfeld
gerichteten Seitenschub. Hinzu kommt eine Torkelbewegung durch die Außen- und Innenleiter
verbindenden Querleiter.
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Werden zur Bremsung der Rotation und der Torkelbewegungen die entgegengesetzten
Spulenhälften eingeschaltet, so werden Rotation und Torkelbewegung ausgeglichen,
während der resultierende schräge Achsschub erhalten bleibt.
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Die Richtung dieses schrägen Schubes nimmt einen Winkel von 180 30
gegenüber dem Magnetfeld ein. Wird nur die obere Spulenhälfte der Spule 24 eingeschaltet,
so läßt sich bei ähnlichen Maßnahmen zum Ausgleich der Rotation und Torkelbewegung
ein schräger Achsschub mit einer Neigung von 450 gegenüber dem Magnetfeld erzielen.
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Selbstverständlich sind noch andere Kombinationen denkbar. Bei einem
Flugobjekt mit zwei Antriebselementen können Rotation und Torkelbewegungen noch
einfacher ausgeglichen werden, wenn lediglich die entgegengesetzt liegenden Spulenhälften
beider Antriebselemente von Strom durchflossen werden. Torkelbewegungen können außerdem
zur gezielten Richtungsänderung ausgenutzt werden. Bei den angedeuteten Steuerungsmöglichkeiten
können selbstverständlich außer den angegebenen Spulenhälften noch
weitere
Spulen von Strom durchflossen werden, so daß sich insgesamt eine Uberlagerung der
Einzelschübe zu einem resultierendem Gesamtschub ergibt.
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Mit den angegebenen Flugobjekten ist ein Betrieb in der gesamten Magnetosphäre
steuerbar möglich. In der Stratosphäre können die Flugeigenschaften noch unterstützt
und verbessert werden, wenn das Flugobjekt mit aerodynamischen Auftriebs- und Steuerflächen
ausgerüstet wird; so könnte z.B. die Flugkabine des in Fig. 6 gezeigten Flugobjektes
im Querschnitt eine Tragflächenform aufweisen. Bei Supraleitung brauchen Stromquellen
für die Spulen nicht im Flugobjekt eingebaut zu werden; bei anderen Spulen gelingt
es durch geeignete Werkstoffauswahl und hohe magnetische Verstärkung, die notwendige
Leistung der Stromquelle klein zu halten.
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