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"Vorrichtung zur Erzeugung einer Vortriebskraft, ins-
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besondere in nicht der Schwerkraft unterworfenen Raumfahrzeugen Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vortriebskraft,
insbesondere zur Steuerung von nicht der Schwerkraft unterworfenen Raumfahrzeugen,
wie Satelliten o.dgl.
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Zur Steuerung, Beschleunigung oder Verzögerung von Raumfahrzeugen
ist es bekannt, Schubdüsen einzusetzen, die kurzfristig gezündet werden. Aufgrund
der unterschiedlichen Impulse können geringfiigige Richtungsänderungen ebenso erzeugt
werden wie starke. Auch können andere Umlaufbahnen erreicht werden und dgl. mehr.
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Nachteilig an diesen Steuerungen ist, daß der Verbrauch relativ hoch
ist, so daß mit dem an Bord zu führenden Treibstoff vergleichsweise sparsam umgegangen
werden muß.
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Um atomare Antriebsenergie auszunutzen, sind die it derartigen Reaktoren
zu erzeugenden Schübe zu gering, da der auszunutzende Energieanteil zu klein ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der die
über Reaktoren erzeugte Energie, z. B. elektrische Energie, benutzt werden kann,
um Steuerungen derartiger Fahrzeuge zu bewirken, und zwar durch Ausnutzung von Massenkraftensdie
bei sich drehenden, strömenden Flussigkeiten
nutzbringend einzusetzen
sind.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf einer feststehenden Welle zwei mit einer
Vielzahl von zwischen im wesentlichen von der Mitte aus radialen und randseitig
axial ausgerichteten Leitkammern versehene, spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete
drehbare Zylinderräder angeordnet sind, wobei in der stehenden Welle ein wenigstens
eine Leitkammer in einem Zylinderrad mit einer anderen Leitkammer im anderen Zylinderrad
verbindender Leitkanal vorgesehen ist, wobei Leitkanal und Leitkammern mit einer
Hydraulikflüssigkeit gefüllt und die beiden Zylinderräder in entgegengesetzter Richtung
und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit antreibbar angeordnet sind.
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Durch die aufgrund der Vorrichtung und der sich unterschiedlich bewegenden
Zylinderräder erzeugte Rotation der Flüssigkeit wird eine resultierende, in ihrer
Richtung und Größe regelbare Kraft erzeugt, die auf die Vorrichtung wirkt und damit
zur Steuerung herangezogen werden kann.
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Die Resultiereni ist allerdings nach vorliegenden Berechnungen zu
gering, als daß sie bei terrestrischen Fahrzeugen wirtschaftlich nutzbar gemacht
werden könnte.
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In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß der Antrieb der beiden
Zylinderräder über eine gemeinsame Welle über Ritzel auf Antriebszahnräder an den
Zylindern erfolgt, wobei zur Drehungsumkehr zwischen Ritzel und Zahnrad an eines
der beiden Zylinderräder ein Zwischenzahnrad vorgesehen ist. Diese Lösung ist konstruktiv
sehr einfach und mit aus der herkömmlichen Getriebetechnik bekannten Elementen zu
erstellen.
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Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Antriebswelle und die stehende
Welle in einem gemeinsamen Gehäuse einschließlich der umlaufenden Zahnräder und
Zylinderräder angeordnet sind. Dies ist insbesondere sinnvoll, um evtl.
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austretende Hydraulikflüssigkeit zu sammeln und in den Kreislauf wieder
zurückpumpen zu können.
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Wesentlich für die Erfindung ist, daß die stehende Welle mit einer
Speisebohrung zur Beaufschlagung des Leitkanals versehen ist und/oder, daß die Speisebohrung
mit einem Absperrventil ausgerüstet ist.
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über diese Speisebohrung kann nicht nur die Gesamtvorrichtung mit
Hydraulikflüssigkeit in den Schaufelkanälen und Zylinderrädern gefüllt werden, sondern
über einen derartigen Kanal läßt sich auch ein Start impuls zur Vorbestimmung einer
definierten Drehbewegung der Hydraulikflüssigkeit auf diese aufbringen.
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Die Erfindung sieht auch vor, daß das Gehäuse mit einem Sumpf zum
Auffangen von Hydraulikflüssigkeit und mit einer Rückführeinrichtung der sich in
Sumpf sammelnden Hydraulikflüssigkeit durch die Speisebohrung in den Uberbrückungskanal
der stehenden Welle ausgerüstet ist.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert, diese zeigt in Fig. 1 einen Schnitt durch ein Austührungsbeispiel
der Vorrichtung Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II -II der Fig. 1, sowie in den
Fig. 3 bis 8 die Kräftediagramme, Strömungverhältnisse u. dgl. für die in der Beschreibung
auftauchenden theoretischen Überlegungen.
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Die allgemein in den Fig. 1 und 2 mit 1 bezeichnete Vorrichtung besteht
zunächst aus einem Gehäuse 2, welches im wesentlichen einstückig oder, wie dargestellt,
aus mehreren Teilen zusammengeschraubt sein kann, worauf es hier nicht näher ankommt.
In dem Gehäuse 2 ist eine zentrische Welle 3 feststehend und im wesentlichen flüssigkeitsdicht
gelagert. Die zentrische Welle 3 kann in ihrer
Lage relativ zu seitlichen
Auflagern 4 am Gehäuse 2 verstellbar sein. Diese Verstellbarkeit ist in der Fig.
1 nicht näher dargestellt.
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Auf der feststehenden Welle 3 sind auf entsprechend geformten Wellenabsätzen
zwei Zylinderräder 5 und 6 (weiter unten auch als Primärzylinder 5 und Sekundärzylinder
6 bezeichnet) drehbar gelagert. Die Drehung der Zylinderräder 5 und 6 erfolgt über
Zahnräder, und zwar einmal das Zahnrad 7, welches verdrehungssicher am Zylinder
5 angeordnet ist, und- zum anderen das Zahnrad 8, welches verdrehungssicher am Zylinderrad
6 befestigt ist.
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Im dargestellten Beispiel der Fig. 1 ist im unteren Teil des Gehäuses
2 eine Antriebswelle 9 angeordnet, die zwei Antriebsritzel 10 und 11 trägt, die
unmittelbar oder mittelbar die Antriebszahnräder 7 und 8 beaufschlagen. Das Antriebsritzel
10 beaufschlagt unmittelbar das Antriebszahnrad 7, während das Antriebsritzel 11
unter Zwischenschaltung eines Zwischenzahnrades 12 das Antriebszahnrad 8 beaufschlagt.
Durch die Zwischenschaltung des Zwischenzahnrades 12 dreht sich bei gleicher Drehrichtung
der Antriebsritzel 10 und 11, die Zahnräder 7 und 8 in umgekehrter Drehrichtung,
womit sich auch~ die beiden Zylinder räder 5 und 6 in umgekehrter Richtung drehen.
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Durch eine entsprechende Wahl des übersetzungsverhältnisses zwischen
den Zahnrädern 7 und 10 bzw. 8, 11 und 12 ist gleichzeitig gewährleistet, daß die
Zylinderräder 5 und 6 nicht nur in umgekehrter Richtung, sondern auch mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten umlaufen.
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Wesentlich für die Erfindung ist nun das Folgende : Die feststehende
Welle 3 ist in ihrem Inneren mit einem Leitkanal 13 ausgerüstet, der über einen
mit einem Rückschlagventil 14 versehenen Speisekanal 15 mit einem, Fluid, z.B. einem
Hydrauliköl, gefüllt werden kann. Die Zylinder räder 5 und 6 weisen eine Vielzahl
von zunächst radial ausgerichteten und randseitig axial ausgerichteten Leitkammern
16 bzw. 16' auf. Dabei sind die Leitkammern 16 bzw. 16' zunächst sich radial von
innen her nach außen erweitert ausgebildet, während sie in ihrem axial ausgerichteten
Bereich im wesentlichen querschnittlich gleichbleibend ausgebildet sind. Auch die
Leitkammern 16 bzw.
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16' sind zu einem Teil mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, und zwar
nur so weit, wie sie von einer Speiseöffnung 17 des Leitkanales 13 beaufschlagt
sind.
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Wird nun die Welle 9 von einem externen Antrieb, z.B.
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einer kleinen Dampfturbine,dae~i3lren.aamp~f~.aus einem.Reaktor bezieht,
betrieben, so drehen sich aufgrund der gegebenen Verhältnisse die Zylinderräder
5 und 6 und damit die entsprechenden Leitkammern 16 bzw. 16' in unterschiedlicher
Richtung
und in unterschiedlicher Geschwindigkeit, so daß die Hydraulikflüssigkeit in einem
bestimmten Verhalten rotiert, was nachfolgend näher beschrieben ist: Zun Verständnis
des Strömungsvorgangs in den drehenden Kanälen soll die Bewegung eines Massenteilchens
in der Flüssigkeit betrachtet werden.
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Das Massen teilchen bewegt sich bei Beginn der Betrachtung mit konstanter
Geschwindigkeit im Leitkanal 13 und wird in der Rrümmung nach außen gelenkt. Aus
der Leitrohröffnung erfolgt der Übergang in die Kanäle 16 des Primärzylinders 5,
der mit der Winkelgeschwindigkeit M umläuft. Die Ablenkung des Massenteilchens an
diesem Übergang soll vernachlässigt werden, da sie gering ist. Das sich mit der
Relativgeschwindigkeitlo in den radialen Kanälen nach außen bewegende Massenteilchen
gelangt in den Bereich höherer Führungsgeschwindigkeit und wird durch die sogenannte
Coriolisbeschleunigung bc seitlich abgelenkt. Sie ist gleich dem doppelten Produkt
aus der Relativgeschwindigkeit o und der Winkelgeschwindigkeit w der Führungsbeweg
ung be= 2W0.
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Sie zeigt in die Drehrichtung senkrecht zum Radius und ist unabhängig
vom Abstand zur Drehachse.
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Entsprechend dem Kanalverlauf wird das Massen teilchen in der Kanalkrümmung
umgelenkt. Es bewegt sich nun mit konstanter RelativgeschwindigkeitwO parallel zur
Drehachse und mit der Führungsgeschwindigkeit ul in Umfangsrichtung.
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Nach dem Geschwindigkeitsplan Fig. 5 ist die Absolutgeschwindigkeit
cd des Massen teilchens gleich der geometrischen Summe aus der Relativgeschwindigkeitoo
und der Führungsgeschwindigkeit u1 c1 =wD u.
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Ihre Richtung ändert sich nach c2 beim Übergang in die axialen Kanäle
16' des Sekundärzylinders 6, da die Drehrichtung und somit die Führungsqeschwindigkeit
u2 nun entgegengesetzt ist. Die Bewegungsverhältnisse sind in dem Strömungsbild
Fig. 6 dargestellt. Zur besseren übersicht ist der Zylindermantel in eine gedachte
Ebene gestreckt.
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Nach dem Geschwindigkeitsplan Fig. 5 ist die Absolutbahn b+beingezeichnet.
Sie ist aus Symmetriegründen in die Mitte des Strömungsbildes gelegt.
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Am Ende der Umfangsbewegung wird das Massente-ilchen in der Kanalkrümmung
des Sekundärzylinders nach innen gelenkt und gelangt damit in den Bereich niederer
Führungsgeschwindigkeit.
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Die Coriolisbeschleuniguno hat ihre Größe beibehalten und zeigt nun
gegen die Drehrichtung. In Achsenrichtunq betrachtet
iiberdecken
sich die Absolutbahnen btb in den radialen Kanälen von Primär- und Sekundärzylinder,
gleiche Drehzahlen vorausgesetzt. In Fig 3 ist die zeitmarkierte Absolutbahn eines
Massenteilchens bestimmt und in das Strömungsbild nach Fig. 4 eingezeichnet. Sie
ist aus Symmetriegründen in die Mitte des Strömungsbildes gelegt.
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Nach dem Übergang in die Leitrohröffnung wird das Massenteilchen in
der Krümmung des Leitrohres 1 abgelenkt und beginnt einen neuen Kreislauf.
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Im Folgenden werden die Kräfte ermittelt, die derartige Strömungs-
und Bewegungsverhältnisse bewirken.
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Die relative StrömungsgeschwindigkeitW erhöht sich nicht, da einer
Relativbeschleunigung in den radialen Kanälen des Primärzylinders eine gleich große
negative Beschleunigung (Verzögerung) in denen des Sekundärzylinders entgegensteht.
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Die Abnahme der relativen Strömungsgeschwindigkeitwo infolge von Reibungs-,
Stoß- und Wirbelverlusten muß ausgeglichen werden. Daher wird eine höhere Drehzahl
des Primärzylinders im Vergleich zum Sekundärzylinder vorgeschlagen.
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Die durch die Coriolisbeschleunigung bC bedingte Corioliskraft Pc
im Primärzylinder ist eine reine Trägheitskraft.
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Sie steht gegen die Drehrichtung senkrecht zum Radius. Im Sekundärzylinder
3 zeigt die Corioliskraft in die Drehrichtung. hlit Bezug auf das gesamte System
ist daher das Moment der Corioliskräfte gleich Mull.
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Bei entgegengesetzter Drehung der Zylinder und gleichzeitiger Relativgeschwindigkeit
der Flüssigkeit läßt sich ein Drehmoment nachweisen, welches die Energieumwandlung
erfordert. Nach dem Geschwindigkeitsplan Fig. 5 ändert die Absolutgeschwindigkeit
cx ihre Richtung nach c. Auf die Kanalwände wirkt hierbei ständig eine Kraft in
Umfangsrichtung, die nach dem dynamischen Grundgesetz gleich klasse mal Beschleunigung
ist. Nach den im Turbinenbau üblichen Bezeichnungen ist die Reaktionskraft am Kanalübergang
vom Primär- zum Sekundärzylinder gleich dem doppelten Produkt aus Masse mal Volumenstrom
mal Führungsgeschwindigkeit
Das Moment der Reaktionskraft R auf dem Radius r ist M = Rr.
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Diesem muß das Antriebsmoment einer Arbeitsmaschine, z. B.
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einer Turbine, entgegenstehen.
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Reaktionskraft RU und Corioliskraft Pc stehen senkrecht zum Radius.
Diese Kräfte haben daher keine Wirkung auf die
Drehachse.
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Nach dem allgemeinen Energiegesetz läßt sich Energie weder erzeugen
noch vernichten, sondern nur umwandeln. Die von dem System aufgenommene Drehenergie
der Antriebsmaschine wird daher in einer anderen Form unmittelbar wieder abgegeben.
Diese soll nachstehend beschrieben werden.
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Auf die mit der Winkelgeschwindigkeitw auf den mittleren Radius r
drehende Flüssigkeit wirkt die Zentrifugalkraft Cf = m#r##² Ihre Resultierende greift
im Schwerpunkt S an, der vom Drehmittelpunkt den Abstand rO hat. Es ist dann die
Resultierende Cf = m"ro##². .
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Weitere Kräfte, deren Resultierende ebenfalls auf die Drehachse wirkt,
ergeben sich aus den Umlenkungen der relativen Strömung in den Kanal und Leitrohrkrümmungen.
Nach dem strömungsbild Fig. 7 fällt die Richtung der Reaktionskraft RK in einer
Krümmung aus Symmetriegründen in die Winkelhalbierende des Zentri-- winkels. Wird
die x-Achse in die Winkelhalbierende gelegt, dann ist die Reaktionskraft Ry = 0
F ist die Querschnittsflache des Kanals und zeigt ist der Ablenkunyswinkel.
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Die Resultierende der Reaktionskräfte in den durchströmten Ixanalkrümmungen
hat die gleiche Große der Resultierenden in den Krümmungen des Leitrohres. Ihre
Richtung ist entgegengesetzt gleich unter der Voraussetzung, daß die Relativgeschwindigkeit
der Flüssigkeit aufrechterhalten wird, die Zylinder jedoch nicht umlaufen. Die Richtung
stimmt in diesem Fall mit der Bezugslinie O#O überein, die den Drehmittelpunkt schneidet
und die Mittelsenkrechte der ffnungen des Leitrohres darstellt.
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Drehen die Zylinder entgegengesetzt, so bewirkt die Ablenkung der
Strömung infolge der Coriolisbeschleunigung eine Richtungsänderung der Resultierenden
der Re aktion skräfte in den Kanalkrümmungen abweichend von der Bezugslinie OjO.
Die sich hieraus ergebende Hauptresultierende muß bei der Ermittlung der Massenkräfte
berücksichtigt werden.
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In Fig. 4 sind die Massenkräfte in ihrer Richtung, nicht in der Größe,
in Abweichung von der Rezugslinie OtO eingezeichnet.
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Die Richtungen ergeben sich aus bestimmten Dreh- und Strömungsgeschwindigkeiten.
Angriffspunkt ist der Drehmittelpunkt. Irie resultierende Zentrifugalkraft ist zweckmäßig
in
die Zentrifugalkräfte der radial strömenden Flüssigkeit Cfrund der axial strömenden
Flüssigkeit Cf zerlegt. Die entsprechenden Schwerpunkte sind S1 und St Die Richtungen
der Resultierenden Cf@, RK und Cfr , abweichend um die WinkelÇ ,ß und # von der
Bezugslinie OtO, sind aus Symmetriegründen zu bestimmen.
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Die Ermittlung der Massenkraft F erfolgt durch vektorielle Zusammensetzung
der Finzelresultierenden nach Fig. 8. Der Kräftemaßstab ist unbestimmt.
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Der theoretische Wirkungsgrad der Eneryieumwandlung ist gleich Nutzarbeit
dividiert durch zugeführte Arbeit An F^s F r = = AZ Der effektive Wirkungsgrad ist
stets kleiner als 1, da die unvermeidlichen Reibungs- und Strömungsverluste zu berücksichtigen
sind.
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Nach dem Gesetz von Wirkung und Gegenwirkung muß der Massenkraft F
eine gleich große Kraft entgegenstehen.
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Ist der Energiewandler mit Antriebsmaschine in einem Fahrzeug steuerbar
eingebaut, so kann F senkrecht gegen die Schwerkraft wirken. Ist das Fahrzeug freibeweglich
und die Massenkraft F gleich dem Fahrzeuggewicht G, so lautet die
Gleichgewichtsbedingung
F=G Das Fahrzeug ist schwerelos.
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Werden Strömungsgeschwindigkeit und Drehzahl des Energiewandlers erhöht
und damit die Massenkraft F größer als das konstante Fahrzeuggewicht G, so lautet
die Bedingung F = G + mb.
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Der Zuwachs b ist die Trägheitskraft, die bei beschleunigter Fahrzeugbewegung
wirksam wird (dynamisches Gleichgewicht).
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Der Luftwiderstand soll unberücksichtigt bleiben.
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Der Vorteil dieser Antriebsart im Vergleich zu Schubtriebwerken besteht
darin, daß infolge der wirksamen !;assenkräfte keine Masse ausgestoßen wird. Die
Antriebsmaschine - z. B. eine Dampfturbine - kann durch einen atomaren Wärmekreislauf
betrieben werden. Die atomare Energie ermöglicht eine langanhaltende Beschleunigung
und eine entsprechende Verzögerung eines Raumfahrzeuges. Hierdurch können weit entfernte
Ziele im Weltraum erreicht werden.
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Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noctB
in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den
Grundgedanken zu verlassen.
So ist die Erfindung insbesondere nicht auf die Übertragungsart der eingeleiteten
Kräfte beschränkt. Hier können Keilriementriebe oder andere Antriebe ebenso vorgesehen
sein, wie die Gestaltung der Zylinderräder und der zentrischen Welle mit ihrem Leitkanal
geometrisch anders ausgebildet sein können.
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