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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridluftfahrzeug (HAV – hybrid
air vehicle) und insbesondere ein Luftfahrzeug, das Eigenschaften
eines Flugzeugs, eines Luftschiffes, das leichter als Luft ist,
und eines Luftkissenfahrzeugs kombiniert.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
der Vergangenheit sind Versuche unternommen worden, Luftfahrzeuge
sowohl mit aerodynamischem als auch aerostatischem Auftrieb zu versehen.
Somit können
starre und nicht starre gasgefüllte
Luftschiffe, die normalerweise leichter als Luft sind, auch im überlasteten
Zustand noch starten, wenn sie also tatsächlich schwerer als Luft sind.
Solche Luftfahrzeuge besitzen jedoch die Form eines gestreckten
Rotationsellipsoids mit ungefähr
kreisförmigem
Querschnitt, und der solchen Luftfahrzeugen verliehene aerodynamische
Auftrieb ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Tragfläche mit
der gleichen Grundfläche
minimal.
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Da
der Auftrieb bei herkömmlichen
Luftschiffen vorwiegend aerostatischer Natur ist und durch das Füllen des
Rumpfes mit einem Gas leichter als Luft, zum Beispiel Helium, bewirkt
wird, wird ihre Zuladung durch die verfügbare Gashülle begrenzt, und der gesamte
Auftrieb ist im günstigsten
Fall etwas größer als
das Gewicht der von der Gashülle
verdrängten
Luft. Des Weiteren treten bei herkömmlichen zum Frachttransport
vorgesehenen Luftschiffen Probleme des Ladens und Entladens der
Fracht und der Verteilung konzentrierter Lasten auf.
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Luftschiffe,
die leichter als Luft sind, können auf
ihren Landeplätzen
keine Rollmanöver
ausführen,
wodurch die Start- und Landevorgänge
sehr kompliziert werden und eine kostspielige Ausrüstung sowie
eine große
Bodenmannschaft erfordern. Herkömmliche
Flugzeuge für
den Frachtransport können dagegen
Rollmanöver
ausführen,
besitzen jedoch sehr hohe und relativ unsicherere Start- und Landegeschwindigkeiten.
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In
der GB-A-1 245 432 wird ein Luftfahrzeug offenbart, das sowohl den
durch ein Gas, das leichter als Luft ist, bereitgestellten Auftrieb
als auch den aerodynamischen Auftrieb ausnutzt. Das Luftfahrzeug weist
einen umschlossenen Aluminiumrumpf mit deltaförmigem Grundriss auf, der ein
Gas enthält,
das leichter als Luft ist, und über
im Wesentlichen seine ganze Länge
einen elliptischen Querschnitt aufweist. Die Deltaflügelform
und das geringe Streckungsverhältnis
der Ausführung
sorgen für
eine hohe Frachtkapazität
sowie eine gute aerodynamische Leistung. Der Aluminiumrumpf ist
mit Helium aufgeblasen, und die Fracht- und Treibstoffabteile sind
innerhalb des Rumpfes vorgesehen und durch zahlreiche hochfeste
Stahlseile aufgehängt,
die die konzentrierte Last der Fracht- und Treibstoffabteile über die
große
Fläche
der oberen Schale des Körpers
verteilen. Das Antriebssystem befindet sich im Heck des Luftfahrzeugs,
so dass es praktisch hinter dem Luftwiderstandsbildungssystem angeordnet
ist. Infolgedessen wird der Triebkraftverlust der Strömung aufgrund
der Verzögerung
des Luftwiderstandssbildungssystems durch die Beschleunigungswirkung
des Antriebssystems ausgeglichen, wodurch die ursprüngliche
Luftgeschwindigkeit bezüglich
des Luftfahrzeugs wieder hergestellt wird. Aufgrund seines übermäßigen Bruttogewichts
und weil es mit einem Fahrwerk ausgestattet ist, kann das Luftfahrzeug
auf die gleiche Weise wie ein herkömmliches Luftfahrzeug mit mehreren Triebwerken
auf dem Boden Rollmanöver
ausführen.
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Die
Ausführung
des in der GB-A-1 245 432 beschriebenen Luftfahrzeugs ähnelt eher
einem Flugzeug als einem Luftschiff, wobei der Großteil des Auftriebs
durch die aerodynamische Deltaform des Rumpfes bereitgestellt wird.
Der Rumpf ist als ein starrer Rahmen aus Aluminiumplatten hergestellt, und
der Laderaum ist im Rumpf untergebracht. Die Breite des Luftfahrzeugs
am Heck beträgt
ca. 75% der Länge
des Luftfahrzeugs. Somit beträgt
die Breite am Heck des Luftfahrzeugs für ein Luftfahrzeug mit einer
Länge von
ca. 305 m ca. 230 m. Dies bedeutet aufgrund des Erfordernisses einer
flachen Start- und Landebahn, die solch einem breiten Luftfahrzeug Rechnung
tragen kann, starke Einschränkungen
im Hinblick darauf, wo das Luftfahrzeug starten und landen kann.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Hybridluftfahrzeugs mit Eigenschaften eines Flugzeugs und
eines Luftschiffes, das leichter als Luft ist. Des Weiteren besteht
eine Aufgabe der Erfindung darin, das Luftfahrzeug mit Luftkissenfahrwerkeinheiten
nach Art eines Luftkissenfahrzeugs zu versehen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Hybridluftfahrzeugs mit einem konturierten, gasgefüllten Rumpf
niedriger Höhe.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Hybridluftfahrzeugs mit einem nicht starren konturierten Rumpf,
der vorzugsweise eine Kontur entlang seiner Länge aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Hybridluftfahrzeug mit einem gasgefüllten, abgeflachten
Rumpf und einem Paar sich in Längsrichtung erstreckender
Seitenzweige bereitgestellt, die auf der Unterseite des Rumpfes
eine sich in Längsrichtung erstreckende
mittlere Aussparung definieren, wobei ein Nutzlastmodul in der mittleren
Aussparung aufgenommen wird und Luftkissenfahrwerkeinheiten auf der
Unterseite der Seitenzweige des Rumpfes vorgesehen sind, wobei die
Fahrwerkeinheiten auf beiden Seiten des Nutzlastmoduls beabstandet
sind.
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Zweckmäßigerweise
kombiniert das Luftfahrzeug die Merkmale eines Flugzeugs, eines
Luftschiffes, das leichter als Luft ist, und eines Luftkissenfahrzeugs.
Idealerweise erzeugt das Luftfahrzeug ca. ein Viertel bis die Hälfte seines
Auftriebs aerodynamisch durch seine Auftriebskörperform und ca. die Hälfte bis
drei Viertel durch den hydrostatischen Auftrieb des Gases, zum Beispiel
Helium, seines gasgefüllten
Rumpfes.
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Durch
Bereitstellung der Fahrwerkeinheiten auf der Unterseite der Rumpfseitenzweige
können sie
relativ weit voneinander beabstandet sein, um die Stabilität des Luftfahrzeugs
zu verbessern, wenn es sich auf dem Boden befindet sowie beim Landen
und Starten. Es entstehen mehrere Vorteile daraus, dass es sich
bei den Fahrwerkeinheiten um Luftkissenfahrwerkeinheiten handelt.
Zum Beispiel wird das Luftfahrzeug nach dem Landen des Luftfahrzeugs und
Abstellen oder Umkehren der Luftversorgung sanft abgesenkt. Durch
geeignete Ausführung
kann das Nutzlastmodul so angeordnet werden, dass es mit dem Luftfahrzeug
abgesenkt wird, so dass es sich in einer Position befindet, in der
Fracht von einer Rampe des Nutzlastmoduls leicht entladen werden kann.
Bei Luftkissenfahrwerkeinheiten ist es nicht erforderlich, dass
völlig
flache Start- und Landebahnen für
das Luftfahrzeug zum Starten und Landen vorgesehen sind. Somit kann
das Luftfahrzeug auf einer beliebigen angemessen flachen Fläche, sogar
auf Wasser, landen.
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Jede
Luftkissenfahrwerkeinheit umfasst zweckmäßigerweise flexible Vorhangmittel,
die einen Luftkissenhohlraum umgeben, und Luftmittel zum Zuführen von
Druckluft zu dem Luftkissenhohlraum zwecks Bereitstellung eines
Kissens von Luft zum Abstützen
des Luftfahrzeugs beim Landen und Abheben umfasst. Vorzugsweise
enthält
jede Luftkissenfahrwerkeinheit Mittel zum schnellen Ablassen von Luft
aus dem Luftkissenhohlraum zwecks Bereitstellung einer Niederhaltekraft
zum Halten des Luftfahrzeugs in Position auf dem Boden sowohl für allgemeine
Verankerungszwecke als auch zum Ausgleich, wenn Nutzlast entladen
wird.
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Kurz
gefasst, das Vorsehen von weit beabstandeten, aufblasbaren Luftkissenfahrwerkeinheiten
gestattet ein Abheben und Landen auf allen angemessen flachen Flächen, einschließlich rauem Land,
Sümpfen
und Wasser. Beim Landen gewährleisten
die Luftkissenfahrwerkeinheiten in Kombination mit dem niedrigen
Profil des Rumpfes eine verbesserte Stabilität durch Ansaugen (auf dem Boden) oder Überfluten
von Bordtanks (auf Wasser), um das Laden und Entladen von Fracht
ohne aufwendige Befestigungssysteme zu unterstützen. Während des Fluges sind die Fahrwerkeinheiten
vorzugsweise eingezogen, um den aerodynamischen Auftrieb des Rumpfes
zu verbessern.
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Das
Luftfahrzeug ist vorzugsweise der nicht starren Art mit einer flexiblen,
druckstabilisierten Mehrrumpfausführung. Die Mehrrumpfausführung sorgt
für Stabilität und Manövrierbarkeit
im Fluge. Die niedrige Rumpfhöhe
bezüglich
der Länge,
gekoppelt mit den Luftkissenfahrwerkeinheiten, sorgt für einen hohen
Grad an Stabilität
auf dem Boden und eine leichte Bodenhandhabung.
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Zweckmäßigerweise
ist der Rumpf vorgespannt und besteht aus einem flexiblen Flachmaterial,
zum Beispiel einem Verbundmaterial oder laminierten Textilstoff,
das bzw. der eine durch Druck gespannte Schalenausführung bereitstellt.
Somit ist der Rumpf auf geeignete Weise druckstabilisiert, ohne dass
innere Strukturverstrebungen verwenden werden müssen. Dieser Lösungsansatz
verringert die Kosten und das Gewicht der Konstruktion und verleiht
der Strukturschale Elastizität.
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Zweckmäßigerweise
enthält
der Rumpf einen sich in Längsrichtung
erstreckenden oberen Zweig, der zwischen den Seitenzweigen am Oberteil des
Rumpfes angeordnet ist. In diesem Fall weist der Rumpf zweckmäßigerweise
eine äußere Hülle und ein
Paar innerer, sich in Längsrichtung
erstreckender Trennmittel auf, die nach unten zueinander konvergieren,
wobei der Raum zwischen den Trennmitteln und der äußeren Hülle den
oberen Zweig definieren und die Räume außerhalb der Trennmittel die
Seitenzweige definieren. Die Unterseite des Rumpfes in Längsrichtung
des Rumpfes ist zumindest in einem mittleren Bereich, in dem das
Nutzlastmodul und die Fahrwerkeinheiten angebracht sind, flacher
als die Oberseite des Rumpfes in Längsrichtung.
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Die
Rumpfzweige sind mit Gas, in der Regel mit Helium, gefüllt und
von dem (den) anderen Rumpfzweig(en) isoliert. Jeder Rumpfzweig
kann entlang seiner Länge
in Abteile aufgeteilt sein – das heißt jeder
Rumpfzweig kann getrennte Abteile umfassen, die durch Trennwände, welche
einen Gasstrom dazwischen gestatten, voneinander getrennt sein.
Die Ausbildung von Heliumtaschenzweigen erfolgt aus Sicherheits-/Redundanzgründen. Zweckmäßigerweise
sind zum Tragen von Lasten zwischen dem Frachtmodulboden und der
Außenschale
Seilnetze vorgesehen.
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Zweckmäßigerweise
erstrecken sich die beiden Rumpfseitenzweige getrennt nach hinten
und weiter als der obere Rumpfzweig, und sie sind mit heckmontierten
Antriebsmotoren versehen. Diese Antriebseinheiten werden im Nachstrom
des Rumpfes betrieben, wodurch eine verbesserte Antriebsleistung
bereitgestellt und die Verwendung einer kegelstumpfförmigeren
(und somit einer heliumauftriebseffizienteren und struktureffizienteren)
Form für
den hinteren Abschnitt des Rumpfes ermöglicht wird.
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Des
Weiteren sind zweckmäßigerweise
getrennte Motormittel auf jeder Seite des Rumpfes vorgesehen. Die
Verwendung von Schubumlenkung an mindestens einigen, vorzugsweise
allen, Triebwerken gestattet, dass vertikale Schubumlenkungen durch
den Schwerpunkt und den Druckmittelpunkt wirken. Somit gibt es die
Möglichkeit
von Senkrechtstart- und -landung (VTOL) und Nullanrollstart sowie -landung
(ZTOL) zusammen mit allgemein verbesserter Steuerung.
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Der
Rumpf ist zweckmäßigerweise
mit Heckflossen versehen, die in der Regel in einem Winkel zu einer
vertikalen Ebene angeordnet sind.
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Der
Rumpf ist vorzugsweise aus einem flexiblen Flachmaterial hergestellt,
bei dem es sich vorzugsweise um laminierten Textilstoff handelt.
Vorzugsweise ist das Material in flache Formen geschnitten, die
zum Beispiel durch Kleben miteinander verbunden sind, um den ordnungsgemäß geformten Rumpf
zu bilden.
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Der
Rumpf weist vorzugsweise entlang seiner Länge eine Wölbung auf, was einen effizienteren aerodynamischen
Auftrieb gewährleistet,
sowie eine flachere Unterseite, wodurch die Grenzfläche zum Boden
zum Laden, Entladen, Anbringen von Luftkisseneinheiten usw. verbessert
ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung rein beispielhaft unter besonderer Bezugnahme auf die
beigefügten
schematischen Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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1 eine
Ansicht eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs
von unten, von einer Seite und von vorne;
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2 eine
Ansicht des in 1 gezeigten Luftfahrzeugs von
unten, von einer Seite und von hinten;
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3 eine
Ansicht des in 1 gezeigten Luftfahrzeugs von
oben, von einer Seite und von vorne; und
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4 eine
Ansicht des in 1 gezeigten Luftfahrzeugs von
vorne.
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Beste Durchführungsweise
der Erfindung
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Die 1 bis 4 zeigen
ein druckstabilisiertes, vorzugsweise nicht starres Luftfahrzeug, dass
durch die Bezugszahl 1 allgemein bezeichnet wird und einen
Rumpf 2 mit einem abgeflachten, allgemein elliptischen
Querschnitt über
den Großteil seiner
Länge aufweist.
Der Rumpf 2 ist aus zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenzweigen 3 und 4 und
einem sich in Längsrichtung
erstreckenden oberen Zweig 5 hergestellt, der sich nicht
so weit wie die Seitenzweige erstreckt. Der Rumpf besteht aus verstärktem Flachmaterial,
zum Beispiel einem hochfesten, laminierten Textilstoff, und umfasst
eine äußere Hülle 6 und
innere, sich in Längsrichtung
erstreckende Trennwände 7 und 8 (siehe 4),
die sich zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Rumpfes erstrecken.
Die Trennwände 7 und 8 konvergieren
nach unten zueinander und dienen der Definition der Seitenzweige 3 und 4 und
des oberen Zweigs 5. Jeder Rumpfzweig kann an voneinander
beabstandeten Positionen entlang seiner Länge Quertrennwände enthalten,
die sich teilweise zwischen der oberen und der unteren Wand erstrecken,
oder als Alternative Öffnungen
darin aufweisen, um zu gestatten, dass das enthaltene Heliumgas
zwischen benachbarten Abteilen passiert, wenn auch auf eingeschränkte Weise.
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Das
Flachmaterial, aus dem der Rumpf hergestellt ist, ist in genaue,
flache Formen geschnitten, die so miteinander verbunden sind, dass
sie die genaue, gekrümmte
Form des Rumpfes bereitstellen. Wenn die Zweige mit Helium gefüllt sind,
ist der druckstabilisierte Rumpf mit einer Wölbung entlang seiner Länge gebildet.
Die beiden Seitenzweige 3 und 4 sind dabei an
der Unterseite des Rumpfes eng miteinander verbunden oder nahe beieinander
positioniert und definieren entlang der Länge des Rumpfes eine mittlere,
in Längsrichtung
verlaufende konkave Fläche
oder Aussparung 9. Der keilförmige obere Zweig 5,
der zwischen den Seitenzweigen 3 und 4 angeordnet
ist, verleiht der Oberseite des Rumpfes eine glatte, gekrümmte, konvexe
Fläche.
Der aufgeblasene Luftfahrzeugrumpf weist eine abgeflachte Form und
eine allgemein aerodynamische Gestalt auf, die dem Luftfahrzeug
aerodynamischen Auftrieb verleihen kann. Bei der dargestellten Ausführung werden
in der Regel ein Viertel bis die Hälfte des Fahrzeugauftriebs
aerodynamisch durch seine Auftriebskörperform bereitgestellt, und
ungefähr
die Hälfte
bis drei Viertel des Fahrzeugauftriebs werden durch den hydrostatischen
Auftrieb des Rumpfgases, zum Beispiel Helium, bereitgestellt. Im
Längsschnitt weist
der Rumpf auf der Oberseite eine allgemein größere Konvexität als auf
der Unterseite auf.
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Die
Unterseite des Luftfahrzeugs 1 enthält ein sich in Längsrichtung
erstreckendes Nutzlastmodul 10, das von dem Rumpf getragen
wird und in der Aussparung 9 angeordnet ist, und Luftkissenfahrwerkeinheiten 11 und 12 an
den Rumpfzweigen 3 bzw. 4. Die Positionierung
dieser Einheiten wird durch die allgemein flachere Unterseite des
Rumpfes entlang der Länge
des Rumpfes zumindest in einem mittleren Teil des Rumpfes, in dem
diese Einheiten angeordnet sind, erleichtert. Jede Fahrwerkeinheit
umfasst in der Regel eine flexible Schürze, die einen Lufthohlraum definiert,
in den Druckluft geblasen werden kann, um ein Luftkissen zum Abstützen des
Luftfahrzeugs bei Lande-, Abhebe- und Rollmanövern bereitzustellen. Obgleich
dies nicht gezeigt ist, können
auch Mittel zum schnellen Ablassen von Luft aus dem Lufthohlraum
vorgesehen werden, so dass eine Saug- oder Niederhaltekraft angelegt
wird, um das Luftfahrzeug in Position auf dem Boden niederzuhalten.
Die relativ weit beabstandeten Luftkissenfahrwerkeinheiten verleihen
dem Fahrzeug nach dem Landen in Kombination mit dem geringen Gewicht
des Rumpfes im Vergleich zu seiner Länge einen hohen Grad an Stabilität, wodurch
auf aufwendige Befestigungssysteme verzichtet werden kann (obgleich
weniger aufwendige Befestigungssysteme neben den Saug/-Niederhalte-Luftkissenfahrwerkeinheiten
erforderlich sein können).
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Ein
besonderer Vorteil der Verwendung von Luftkissenfahrwerkeinheit
besteht darin, dass das Luftfahrzeug von einer beliebigen angemessen
flachen Fläche,
einschließlich
nicht verbessertem rauen Land, Sümpfen,
Marschland und Wasser, zum Beispiel vom Meer, abheben und darauf
landen kann. Ein besondere Start- und
Landebahn ist nicht erforderlich, wie dies bei Flugzeugen mit Rad-Landewerken
der Fall ist. Des Weiteren wird der Seitenwind-Fahrwerk-Luftwiderstand
reduziert oder beseitigt. Die Fahrwerkeinheiten 11 und 12 sind
weit beabstandet angeordnet, um dem Luftfahrzeug beim Landen und
Abheben Stabilität
zu verleihen.
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Der
obere Zweig 5 erstreckt sich nicht ganz nach hinten des
Luftfahrzeugs. Somit wird das hintere Ende des Luftfahrzeugs durch
die beabstandeten Enden der beiden Seitenzweige 3 und 4 gebildet.
Motoren 13 und 14 sind am Heck der Zweige 3 bzw. 4 angebracht,
und diese Motoren können
so befestigt sein, dass sie schwenken können, um sowohl vertikale als
auch horizontale Schubumlenkung bereitzustellen. Zusätzliche
Motoren 15 und 16 sind auf jeder Seite des Rumpfes
angebracht und auch vorzugsweise so befestigt, dass sie schwenken
können,
um vertikale und horizontale Schubumlenkung bereitzustellen. Die
Verwendung von Schubumlenktriebwerken, die so positioniert sind,
dass sie es gestatten, dass vertikale Schubvektoren durch den Schwer- und
Druckmittelpunkt des Rumpfes wirken, ermöglicht ein vertikales Landen
und Starten des Luftfahrzeugs.
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Zum
hinteren Ende des Rumpfes hin sind vier abgewinkelte Stabilisierrippen 17–20 angeordnet.
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Obgleich
dies nicht gezeigt wird, sind Seilnetze zum Tragen von Lasten zwischen
dem Boden des Nutzlastmoduls 10 und dem Außenmantel
des Rumpfes angeordnet.
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Im
Gebrauch, wenn das Luftfahrzeug landet und Luft in den Lufthohlräumen abgelassen
sowie Saugwirkung angelegt wird, um das Luftfahrzeug niederzuhalten,
setzt sich das Luftfahrzeug nach unten und bring sanft das Nutzlastmodul 10 in
die Nähe
des Bodens. Das Modul weist zweckmäßigerweise eine (nicht gezeigte)
herablassbare Rampe auf, um es mit Rädern versehenen Fahrzeugen
zu gestatten, wie ein Roll-on-Roll-off-Containerschiff oder dergleichen in
das Nutzlastmodul und daraus heraus zu fahren. Die niedrige Rumpfhöhe bezüglich der
Länge in
Verbindung mit der durch die Luftkissenfahrwerkeinheiten bereitgestellten
Saugwirkung verleihen dem Luftfahrzeug einen hohen Grand an Stabilität auf dem Boden
und eine leichte Bodenhandhabung.
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Das
Luftfahrzeug ist so ausgeführt,
dass es große
Lasten sicher über
lange Strecken befördern kann.
Beispielsweise weist das beschriebene und dargestellte Luftfahrzeug
eine Länge
von 307 m, eine Höhe
von 77 m und eine Breite von 136 m auf. Solch ein Luftfahrzeug weist
ein Rumpfhüllvolumen
von 2 000 000 m3, eine Reichweite von 4
000 Seemeilen und eine Flughöhe
von bis zu 9 000 Fuß auf.
In der Regel weist das Luftfahrzeug eine Reisefluggeschwindigkeit
von 100 KTAS und eine Maximalgeschwindigkeit von 110 KTAS auf. Die
Nutzlast beträgt 1
000 000 kg bei einem Deckraum mit einer Länge von 80 m, einer Breite
von 12 m und einer Höhe
von 8 m. Es können
auch kleinere Versionen konstruiert werden, zum Beispiel bis zu
Nutzlasten von weniger als einer Tonne.
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Obgleich
die Erfindung als Ausgestaltung in einer besonderen Ausführung eines
Hybridluftfahrzeugs dargestellt und beschrieben worden ist, soll
sie nicht auf die gezeigten Details beschränkt sein, da verschiedene Modifikationen
und Konstruktionsänderungen
durchgeführt
werden können,
ohne von der in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.