DE3002828A1 - Solar airship using heat-absorbing inflated body - having transparent and dark foils on top and sides - Google Patents
Solar airship using heat-absorbing inflated body - having transparent and dark foils on top and sidesInfo
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Abstract
Description
SolarluftschiffSolar airship
Vor 200 Jahren begann das Zeitalter der Luftfahrt mit der Erfindung des Heißluftballons durch die BrUder Montgolfieres. Seither hat die Flugtechnik einen großen Aufschwung erlebt und es wurden Leichtgasballone, Luftschiffe, durch Propeller, Düsen oder Raketen angetriebene Starr- und Schwenkflügler entwickelt.The age of aviation began with the invention 200 years ago of the hot air balloon by the Montgolfieres brothers. Since then, the flight technology experienced a great boom and there were light gas balloons, airships, by Fixed-wing and swivel-wing aircraft powered by propellers, nozzles or rockets were developed.
All diesen Luftfahrzeugen ist gemeinsam, daß sie entweder einen hohen Energiebedarf für ihren Antrieb oder brennbare oder teure Auftriebsgase benötigen.All these aircraft have in common that they either have a high Energy requirements for their propulsion or need flammable or expensive buoyancy gases.
Dies führt trotz der Vorteile dieser Geräte zu hohen spezifischen Transportkosten und in den meisten Fällen zu Umweltbelastungen durch Abgase und Lärm.Despite the advantages of these devices, this leads to a high level of specificity Transport costs and, in most cases, pollution from exhaust gases and Noise.
Zu einem Zeitpunkt wachsender Energieverknappung und wachwerdendem Urnweltbewußtseins ist es daher sinnvoll, nach alternativen Energiequellen für Luftfahrzeuge zu suchen.At a time of growing energy shortage and growing With a sense of the primeval world, it makes sense to look for alternative energy sources for aircraft to search.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Luftschiff, welches im Wesentlichen die Sonnenenergie als Auftriebs- und Vortriebsenergie benutzt.The present invention therefore relates to an airship which is in Essentially, solar energy is used as lift and propulsion energy.
Erfindungsgemäß soll hierzu die direkt und diffus einfallende Solarenergie im Inneren eines von leichten und dünnen Folien umhüllten Körpers absorbiert - und in Wärme umgewandelt werden. Die hierdurch produzierte Warmluft bewirkt analog zum klassischen Warmluftballon einen statischen Auftrieb des Körpers in der umgebenden dichteren Luft.According to the invention, the direct and diffuse incident solar energy is intended for this purpose absorbed inside a body wrapped in light and thin foils - and be converted into heat. The warm air produced in this way works in the same way as classic hot air balloon static buoyancy of the body in the surrounding area denser air.
Der Körper schwebt, wenn sein Gewicht einschließlich der Hülle gleichviel wiegt wie das durch ihn verdrängte Luftvolumen, er steigt auf wenn sein Gewicht geringer ist.The body floats when its weight including the shell is the same weighs like the volume of air it displaces, it rises when its weight is less.
Die Auftriebskraft A berechnet sich zu: A = V - O 6 d (A = Auftriebskraft, =2 X = Luftdichte außen... Luftdichte innen, 0 = Oberfläche des Körpers, = spezifisches Gewicht der Körperhülle, d = Dicke der Hülle, V = im Körper eingeschlossenes Luftvolumen).The lift force A is calculated as follows: A = V - O 6 d (A = lift force, = 2 X = air density outside ... air density inside, 0 = surface of the body, = specific Weight of the body shell, d = thickness of the shell, V = volume of air enclosed in the body).
Da die Luftdichte k eine Funktion der Temperatur T ist ( t T)) muß bei gegebenem Gewicht der Körperhülle die Innenluft eine vorgegebene Mindesttemperaturerhöhung gegenüber der Umgebungsluft besitzen. Je größer das Volumen des Auftriebskörpers, desto günstiger liegen die Verhältnisse, da das Volumen mit der dritten Potenz, die Oberfläche jedoch nur mit der zweiten Potenz des Durchmessers wächst.Since the air density k is a function of the temperature T (t T)) must For a given weight of the body shell, the interior air has a predetermined minimum temperature increase compared to the ambient air. The larger the volume of the float, the more favorable are the ratios, since the volume with the third power, however, the surface only grows to the power of the second of the diameter.
Erfindungsgemäß soll der Auftrittskörper an seiner Oberseite transparent für das Sonnenlicht, jedoch möglichst schwarz oder spiegelnd für Infrarotstrahlung > 3 gm sein und gute thermische Isolationseigenschaften aufweisen. Die untere Seite des Auftriebskörpers ist innenseitig schwarz absorbierend und nach außen hin gegen Wärmeleitung und Strahlung isolierend ausgeführt.According to the invention, the tread body should be transparent on its upper side for sunlight, but if possible black or reflective for infrared radiation > 3 gm and have good thermal insulation properties. The lower one The side of the float is absorbent on the inside and black on the outside designed to be insulating against heat conduction and radiation.
Die Luft im Inneren des Auftriebskörpers erwärmt sich im Bereich des strahlungsabsorbierenden Bodens und steigt durch Konvektion nach oben. Die Gleichgewichtstempe'ratur ist dann erreicht, wenn die Wärmeverlustleistung durch die Qberfläche des Auftriebskörpers der absorbierten Solarenergie entspricht.The air inside the float heats up in the area of the radiation-absorbing floor and rises through convection to the top. The equilibrium temperature is reached when the heat loss through the surface of the float corresponds to the absorbed solar energy.
Bei volier Solareinstrahlung von ca. 1 kW/m2 werden in dem beschriebenen Auftriebskörper im Falle der Umhüllung mit nur einer dünnen Folie Temperaturerhöhungen gegenüber der Umgebungsluft von ca. 35 K, bei einer Doppelhautumhüllung von ca. 70 K erreicht.At full solar irradiation of approx. 1 kW / m2 are described in the Buoyancy bodies in the case of covering with only a thin film increase in temperature compared to the ambient air of approx. 35 K, with a double skin covering of approx. 70 K reached.
Dies entspricht im ersteren Falle einer Auftriebskraft / m3 von ca. 140 p, im zweiten Falle von 240 p.In the first case, this corresponds to a buoyancy force / m3 of approx. 140 p, in the second case 240 p.
Erfindungsgemäß wird die Form des Auftriebskörpers so gewählt, daß bei größtmöglichem Volumen der Luftwiderstand (Form,- Reibungs-und induzierter Widerstand) in waagrechter Stellung möglichst klein gegenüber dem in senkrechter Stellung ist.According to the invention, the shape of the float is chosen so that with the largest possible volume of air resistance (shape, friction and induced drag) in the horizontal position is as small as possible compared to that in the vertical position.
Eine auf diese Weise formoptimierter Auftriebskörper wird erfindungsgemäß beispielsweise durch ein Ellipsoid-bzw. Doppelellipsoid gebildet. (Abb. 1)(1,1). Andere Formen wie z. B. Doppelkugelkalotten (1,2) Zylinder (1,3) Zylinderpackungen (1,4) Packungen ver--schieden großer Kugeln (1,5) u. ä. sind möglich.A buoyancy body which is optimized in shape in this way is inventively used for example by an ellipsoid or. Double ellipsoid formed. (Fig. 1) (1,1). Other forms such as B. Double spherical caps (1,2) cylinders (1,3) cylinder packings (1.4) Packings of balls of different sizes (1.5) and the like are possible.
Erfindungsgemäß ist die Nutzlast unterhalb des Auftriebs körpers verschiebbar angebracht und erlaubt somit einen positiven oder negativen Einstellwinkel des gesamten Auftriebkdrpers.According to the invention, the payload is displaceable below the buoyancy body attached and thus allows a positive or negative setting angle of the whole Buoyancy body.
Auf diese Weise kann erfindungsgemäß ein Teil des.durch Sonnenstrahlung erzeugten statischen Auftriebes in einen dynamischen Vortrieb umgewandelt werden.In this way, according to the invention, part of the solar radiation generated static buoyancy can be converted into dynamic propulsion.
Die beschriebene, Anordnung' stellt somit ein Solarluftschiff dar, welches es gestattet von einem Punkt A der Erdoberfläche zu einem Punkt B zu fliegen.The described 'arrangement' thus represents a solar airship, which allows to fly from a point A on the earth's surface to a point B.
Die Abb. 2 veranschaulicht diesen grundsätzlichen Erfindungsgebanken. Im Zustand A befindet sich das Solarluftschiff mit dem Luftwiderstandverhältnis senkrecht = n auf dem Boden. Die Nutzwaagrecht last wird so aufgehängt, daß der Auftriebskörper einen positiven Anstellwinkel besitzt. Die im dunklen Boden absorbierte Sonnenenergie erwärmt die Luft im Inneren des Körpers solange, bis er auftsteigt und eine durch die Flächenbelastung bestimmte Steiggeschwindigkeit Vst erreicht (Zustand C). Die Fluggeschwindigkeit ist dann VF1 = V5t * n. Da mit zunehmender Flughöhe die Luftdichte te abnimmt, steigt das Luftschiff mit abnehmender Steiggeschwindigkeit maximal bis zur Gleichgewichtshöhe. Vor dem Erreichen dieser Höhe wird durch Ablassen von Heißluft die Tragkraft des Auftriebkörpers soweit verkleinert, daß der statische Auftrieb kleiner als das Fluggewicht ist. Dieser Punkt (Zustand D) stellt gleichzeitig den oberen Wendepunkt vom positiven zum negativen Anstellwinkel, durch Lastverschiebung, dar. Es stellt sich hierauf ein flacher Gleitflug ein (Zustand E) , der bis zum unteren Wendepunkt (Zustand F) führt, in dem die Luft im Inneren des Schiffes wiederum aufgeheizt wird, und anschließend wieder der Steigzustand C erreicht wird.Fig. 2 illustrates these basic inventions. In state A, the solar airship is with the air resistance ratio perpendicular = n on the floor. The useful horizontal load is hung so that the Buoyancy body has a positive angle of attack. That absorbed in the dark ground Solar energy heats the air inside the body until it rises and a rate of climb Vst determined by the wing loading is reached (State C). The airspeed is then VF1 = V5t * n. Since with increasing Altitude the air density te decreases, the airship increases with decreasing rate of climb maximum up to the equilibrium height. Before reaching this height is done by draining of hot air reduces the load-bearing capacity of the buoyant body to such an extent that the static Lift is less than the flight weight. This point (state D) represents simultaneously the upper turning point from the positive to the negative angle of attack, through load shifting, Thereupon a flat glide occurs (state E), which up to lower turning point (state F) results in which the air inside the ship turns is heated, and then the climbing state C is reached again.
Die beschriebene oszillierende Vertikalbewegung wird so lange fortgesetzt, bis der gewünschte Landepunkt B erreicht ist.The described oscillating vertical movement is continued as long as until the desired landing point B is reached.
Ebenso wie die Flugrichtung können erfindungsgemäß auch seitliche Kursabweichungen durch entsprechende Lastverschiebung erzielt werden.Like the direction of flight, according to the invention, lateral Course deviations can be achieved by shifting the load accordingly.
Die Abb. 3 zeigt die prinzipielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarluftschiffes wie es vorwiegend als Sport- und Freizeitgerät geeignet ist. Dabei ist 1 die transparente Oberhaut, 2 die schwarze Unterhaut, 3 ein Ellipsoidsektor, 4 ein leichter Strukturring, 5 die SolareTnstrahlung, 6 die über Rollen verstellbaren Aufhängeseile des Pilotensitzes, 7 der Pilot auf seinem in Längs- und Querrichtung durch Seilzug verschiebbarem Sitz, 8 die Luftablasskappe, 9 das zu 8 gehörende Bedienungsseil, 10 die untere Lufteintrittsöffnung.Fig. 3 shows the basic embodiment of the invention Solar airship as it is mainly suitable as sports and leisure equipment. Included 1 is the transparent epidermis, 2 the black subcutaneous tissue, 3 an ellipsoid sector, 4 a light structured ring, 5 the solar radiation, 6 the adjustable via rollers Suspension ropes of the pilot's seat, 7 the pilot on his in the longitudinal and transverse directions seat movable by cable pull, 8 the air release cap, 9 the operating rope belonging to 8, 10 the lower air inlet opening.
Brfindungsgemäß können sowohl die beschriebene Änderung des Anstellwinkels wie auch die seitlichen Kursabweichungen statt durch Gewichtsverlagerung auch durch entsprechende leichte Höhen- und Seitenruder erzielt werden. (Abb. 4) Es bedeuten: 11 Höhenruder, 12 Höhenruderbetätigungsseile, 13 Seitenruder, 14 Seitenruderbetätigungsseile.According to the invention, both the described change in the angle of attack as well as the lateral course deviations instead of by shifting weight corresponding slight elevator and rudder can be achieved. (Fig. 4) The following mean: 11 elevator, 12 elevator control cables, 13 rudder, 14 rudder control cables.
Eine andere erfindungsmäßige Variante des Solarluftschiffes ist dadurch gegeben, daß die Vortriebskraft und der Restauftrieb durch schwenkbare Propeller erzeugt wird. Der Antrieb dieser Propeller kann sowohl mit thermodynamischen Maschinen oder auch mit Elektromotoren erfolgen.Another inventive variant of the solar airship is thereby given that the propulsive power and the residual buoyancy by pivoting propellers is produced. The drive of this propeller can be done with thermodynamic machines or with electric motors.
Beim ersteren kann erfindungsgemäß die benötigte Prozeßwärme mittels optischer Leichtbaukonzentratoren erzeugt werden, die entweder zusätzlich am oder im Auftriebskörper installiert sind, oder durch einen verspiegelten Teil des Auftriebskörpers selbst erzeugt werden.In the former, the required process heat can according to the invention by means of optical lightweight concentrators are produced, which either additionally on or are installed in the float, or through a mirrored part of the float are self-generated.
Die Abb. 5 zeigt den schematischen Aufbau eines Solarluftschiffes mit verstellbaren Propellern (15), Leichtbausonnenkonzentratoren (16), Prozeßdampferzeugern (17) und Wärmekraftmaschine.Fig. 5 shows the schematic structure of a solar airship with adjustable propellers (15), lightweight solar concentrators (16), process steam generators (17) and heat engine.
Die Abb. 6 zeigt den schematischen Aufbau eines Solarluftschiffes bei dem der Konzentrator durch eine innen verspiegelte kugelkalottenförmige Ausbuchtung (19) im Boden des Luftschiffes gebildet wird. Der Dampferzeuger (19) wird dem wandernden Brennpunkt nachgeführt.Fig. 6 shows the schematic structure of a solar airship in which the concentrator has an internally mirrored spherical cap-shaped bulge (19) is formed in the bottom of the airship. The steam generator (19) is the wandering Focal point tracked.
Beim Antrieb der Propeller durch Elektromotoren bietet es--sich an, die benötigte elektrische Energie mittels Solarzellen am Boden des Auftriebskörpers zu erzeugen. Besonders im Dünnschichtverfahren hergestellte sehr leichte Solarzellen könnten die Strom-und Wärmeerzeugung (aufgrund ihrer relativ dunklen Farbe) gut miteinander kombinieren.When the propellers are driven by electric motors, it is advisable to the required electrical energy by means of solar cells on the bottom of the float to create. Very light solar cells, especially made using the thin-film process could generate electricity and heat (due to their relatively dark color) well combine with each other.
Die in den Abbildungen 4 und besonders 5, 6, und 7 skizzierten Versionen des erfindungsgemäßen Solarluftschiffes sind aus Gewichtsgründen und aufgrund der physikalischen Randbedingungen wirtschaftlich sinnvoll nur in relativ großen Dimensionen mcglich.The versions sketched in Figures 4 and especially 5, 6, and 7 of the solar airship according to the invention are due to weight reasons and due to physical boundary conditions only make economic sense in relatively large dimensions possible.
Günstig wirkt sich hierbei allerdings das mit der dritten Potenz anwachsende Volumen aus. Während beispielsweise ein Solarluftschiff der Ausführungsform Abb. 2 bei 20 m Durchmesser ca. 250 kg Nutzlast transportieren kann, kann ein solches mit 100 m Durchmesser bereits ca. 50.000 kg Nutzlast tragen.However, that which increases with the third power has a positive effect Volume out. For example, while a solar airship of the embodiment Fig. 2 can transport approx. 250 kg payload with a diameter of 20 m, such a with a diameter of 100 m already carry approx. 50,000 kg payload.
Eine weitere erfindungsmäßige Variante des beschriebenen Solarluftschiffes ist in Abb. 7 skizziert. Ein sehr großer solarer Auftriebskörper (21) transportiert hierbei eine große Last (22) und wird-von einer Zugmaschine am Boden (23) geschleppt. Das Schleppseil (24) dient; gleichzeitig zur Bedienung der Luftschiffkontrollorgane.Another inventive variant of the solar airship described is sketched in Fig. 7. A very large solar float (21) is transported in this case a large load (22) and is towed by a tractor on the ground (23). The tow rope (24) is used; at the same time to operate the airship control organs.
Diese Ausführungsform ist besonders gut als Lastenschiff für entlegene, sonnenreiche Gebiete, wie z. B. der Sahara geeignet.This embodiment is particularly good as a cargo ship for remote, sunny areas such as B. the Sahara suitable.
Entsprechend groß dimensionierte Solarluftschiffe der beschriebenen Bauweise können in einer weiteren erfindungsgemäßen-Ausführungsform so dimensioniert werden, daß ihre Gleichgewichtshöhe in der ftcatosphäre liegt und sie aufgrund ihrer thermischen Isolation und ihres flachen Gleitwinkels auch während der Nacht oberhalb der Troposphäre bleiben. Sie stellen somit erfindungsgemäß rückholbare, lenkbare- Stratosphärensatelliten dar.Correspondingly large-sized solar airships of the ones described Construction can be dimensioned in a further embodiment according to the invention that their equilibrium altitude lies in the ftcatosphere and they because of their thermal insulation and its flat angle of slide above it even during the night stay in the troposphere. According to the invention, you thus provide retrievable, steerable Stratospheric satellites.
Die vorliegende Erfindung ersetzt die fossile Brennerenergie der Montgolfiere durch Solarenergie und ergänzt diese Maßnahme durch eine aerodynamische Formgebung des Auftriebskörpers.The present invention replaces the fossil fuel energy of the Montgolfiere through solar energy and complements this measure with an aerodynamic design of the float.
Es entsteht ein völlig neuartiges Solarluftschiff das in verschiedenen Versionen vom einfachen Sportgerät bis hin zum Lastenschlepper und Stratosphärensatellit ausgeführt werden kann.The result is a completely new solar airship that comes in different Versions from simple sports equipment to cargo trucks and stratospheric satellites can be executed.
Haupteinsatzgebiete für Solarluftschiffe werden die sonnenreichen Entwicklungsländer der Erde sein.The main areas of application for solar airships will be the sunny ones Be developing countries of the earth.
Aus technologischer Sicht können die Elemente des Leichtbaues grosser Strukturen, wie sie z. B. beim Zeppelin und in der "Textilarchitektur' zum Einsatz kommen, prinzipiell als gelöst angesehen werden.From a technological point of view, the elements of lightweight construction can be larger Structures such as B. in the Zeppelin and in the "textile architecture" used come, should in principle be seen as resolved.
Materialmäßig ist vor allem die transparente Deckhülle der Auftriebskörper wegen der starken U.V. Belastung problematisch. Hier sollen erfindungsgemäß hochwertige Fluorkohlenwasserstoffolien, insbesondere Tetrafluoräthylen, welches hervorragende optische, thermische und mechanische Eigenschaften besitzt, zum Einsatz kommen.In terms of material, it is primarily the transparent cover of the float that is used because of the strong U.V. Load problematic. According to the invention, high-quality Fluorocarbon films, especially tetrafluoroethylene, which is excellent has optical, thermal and mechanical properties, are used.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19803002828 DE3002828A1 (en) | 1980-01-26 | 1980-01-26 | Solar airship using heat-absorbing inflated body - having transparent and dark foils on top and sides |
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DE19803002828 DE3002828A1 (en) | 1980-01-26 | 1980-01-26 | Solar airship using heat-absorbing inflated body - having transparent and dark foils on top and sides |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3002828A1 true DE3002828A1 (en) | 1981-07-30 |
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ID=6093029
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DE19803002828 Withdrawn DE3002828A1 (en) | 1980-01-26 | 1980-01-26 | Solar airship using heat-absorbing inflated body - having transparent and dark foils on top and sides |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0795467A2 (en) | 1996-03-16 | 1997-09-17 | Daimler-Benz Aerospace Aktiengesellschaft | Landing method for payloads from air or space missions |
US6224016B1 (en) * | 1997-12-19 | 2001-05-01 | Sky Station International, Inc. | Integrated flexible solar cell material and method of production |
-
1980
- 1980-01-26 DE DE19803002828 patent/DE3002828A1/en not_active Withdrawn
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