WO2011026965A2 - Tank für flugzeuge - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a mobile tank for a cryogenic, d. H. cryogenic fuel or fuel, in particular for LNG, ie liquid
- Natural gas or liquid methane The invention further relates to an aircraft with this tank and a method for retrofitting an aircraft with such tanks.
- a conventional fuel such as kerosene
- low-temperature fuels such as LNG in the tank evaporate due to temperature increases due to the usually prevailing outside temperatures.
- Such vaporized fuel is called "boil-off" gas, and with the appearance of boil-off gas, the pressure in the tank increases.
- the document DE 19543163 discloses an aircraft with tanks for a cryogenic fuel, which in the fuselage or as external tanks to the
- the document DE 3309768 AI discloses an aircraft trapezoidal wing, wherein the wing is used as a fuel tank
- the present invention has for its object to provide a mobile tank for cryogenic fuel, with which in particular an aircraft is driven.
- a tank which comprises an outer structure and a pressure-resistant, cold-resistant, flexible inner shell, which is able to absorb an overpressure arising in the tank.
- the sheath is an aramid-reinforced or aramid sheath, such as an aramid fiber-reinforced sheath, hereinafter called an aramid sheath.
- Aramid fibers are commercially available from DuPont under the trademark Kevlar (R)
- a shell is particularly pressure-resistant in the sense of the present
- a pressure-resistant tank this is regularly made of steel or aluminum.
- a pressure-resistant inner shell is relatively light in comparison, so that so a relatively light tank can be provided.
- the provision of a light tank is important for mobile use in order to minimize the fuel needed for the drive.
- LNG is usually cooled to -161 ° C to -164 ° C.
- the material of the envelope is then to be selected so that it is at least equal to the temperatures at which LNG stored in the tank has been cooled.
- the aramid sheath is preferably 100% aramid. In one embodiment, this comprises hollow fibers.
- the envelope is gas-tight
- the sheath is preferably 1 to 10 mm, more preferably 3 to 7 mm, for example about 5 mm thick.
- the pressure-resistant inner shell is applied to a compressible plastic material which serves for thermal insulation. If a pressure increase occurs in the tank due to boil-off gas, the compressible plastic material makes no significant contribution to catch the pressure and not forwarded to the surrounding structure of the aircraft or ship in which it is embedded, and charged. What remains is mainly the mass forces, caused by the acceleration of the traffic systems, which take the form of a surface pressure of the structure of the aircraft must be intercepted. The internal gas pressure in the tank is replaced by the pressure-resistant inner shell
- polyurethane for the thermal insulation of a polyurethane existing material used and in particular in the form of a foam, for example in the form of a soft foam. But polyurethane can also be present as a mounting foam, so as to provide a thermal insulation with low
- Kevlar is an elastic material that can stretch up to 4%.
- Polyurethane is a resilient material. If an overpressure occurs in the
- the tank comprises a film as an outer shell, which preferably also has good heat-insulating
- the outer foil protects an adjacent inner layer of the tank.
- a suitable, about 10 mm thick film is available under the trade name "Mija".
- the above-mentioned outer film is first applied to walls of a room in the aircraft.
- a space in a wing of the aircraft is lined with a foil.
- An aircraft wing or a wing of an aircraft of today's design consists of two milled parts, namely an upper side and a
- a first outer film and in particular adhesively bonded.
- the film can be easily adapted to the given geometries.
- heat-insulating preferably made of plastic tiles are applied to the film.
- the tiles may be made of polyurethanes.
- the tiles are preferably between 6 and 10 cm thick. With tiles, the so provided
- heat-insulating layer can be easily adapted to predetermined geometries.
- the tiles are preferably adhered to the film, for example, with a silicone adhesive so as to attach the tiles quickly.
- a pressure-resistant shell is applied to the inside of the tile.
- the inside is previously provided with an adhesive.
- a heating foil is applied to the wings of an aircraft in order to be able to counteract icing by heating with electrical energy.
- a very thin two-dimensional sheet of carbon is particularly suitable as a heating foil.
- the material used is very particularly preferably "graphene", which was developed by Prof. Andre Greim from the Netherlands, which, moreover, can advantageously also be made gas-tight.
- Wing root tanks Further tanks of an aircraft, which are further out in the wings are, however, are not converted.
- the kerosene stored therein serves as safety, for example in order to be able to operate an aircraft even if it consumes more than the fuel originally intended for a flight.
- An aircraft which is to be provided with tanks according to the invention later, is preferably retrofitted with other tanks, the
- the tank connected pipes and coupling systems provided with a shell of graphene, for example, so wrapped that the
- Graphene film further improves the gas-tightness.
- a graph of graphene can be easily unwound and applied with the aid of another film. Due to adhesion sticks
- a space provided for the tank comprises scandium. But it can also be an existing scandium, outer film that limits the tank space. It succeeds in such a weight reduction, for example, compared to tanks that have an outer shell made of aluminum. For the same stability, scandium is lighter compared to aluminum.
- the inner shell of the tank includes webs or apertured walls that extend from an inner wall of the shell to an opposite inner wall and are secured to both inner walls. These webs or walls contribute to improved that a pressure prevailing in the tank overpressure is absorbed by the inner shell.
- the holes provided with walls are preferably arranged honeycomb to each other.
- FIG. 1 shows a tank in section, which has an outer metallic
- the tank with one or more inlets or outlets 5 is provided, the For safety reasons, preferably lead out of the tank as shown above.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen mobilen Tank für einen kryogenen, d. h. tiefkalten Treibstoff bzw. Brennstoff und zwar insbesondere für LNG, also flüssigem Erdgas bzw. flüssigem Methan. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit diesem Tank sowie ein Verfahren für das Nachrüsten eines Flugzeugs mit derartigen Tanks. Ein Tank für einen kryogenen Treibstoff ist erfindungsgemäß mit einer äußeren Struktur und einer fexiblen, druckfesten, kälteresistenten Innenhülle (4) versehen. Um ein Flugzeug mit einem Tank für einen kryogenen Treibstoff nachzurüsten, wird ein Tank für Kerosin mit einer Folie (2) ausgekleidet, auf die Folie werden aus Kunststoff bestehende Kacheln (3) aufgeklebt und auf die Kacheln (3) wird eine druckfeste Innenhülle (4) aufgebracht und zwar vorzugsweise aufgeklebt.
Description
Tank für Flugzeuge
Die Erfindung betrifft einen mobilen Tank für einen kryogenen, d. h. tiefkalten Treibstoff bzw. Brennstoff und zwar insbesondere für LNG, also flüssigem
Erdgas bzw. flüssigem Methan. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit diesem Tank sowie ein Verfahren für das Nachrüsten eines Flugzeugs mit derartigen Tanks. Im Unterschied zu einem konventionellen Treibstoff wie Kerosin verdampfen tiefkalte Treibstoffe wie LNG im Tank durch Temperaturerhöhungen aufgrund von üblicherweise herrschenden Außentemperaturen. Derart verdampfter Treibstoff wird„Boil-off"-Gas genannt. Mit dem Auftreten von Boil-off Gas erhöht sich im Tank der Druck.
Aus der Druckschrift DE 19543163 geht ein Flugzeug mit Tanks für einen tiefkalten Treibstoff hervor, die im Rumpf oder als Außentanks an den
Tragflächen vorgesehen sind. Aus der Druckschrift DE 198 16651 C2 geht eine Vakuumisolierung für einen Tank der eingangs genannten Art hervor.
Die Druckschrift US 2006278761 A offenbart die Unterbringung von Tanks in Tragflächen eines Flugzeuges.
Die Druckschrift DE 3309768 AI offenbart einen Flugzeug-Trapezflügel, wobei der Tragflügel als Kraftstofftank verwendet wird
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mobilen Tank für tiefkalten Treibstoff bereitzustellen, mit dem insbesondere ein Flugzeug angetrieben wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Tank bereit gestellt, der eine äußere Struktur und eine druckfeste, kälteresistente, flexible Innenhülle umfasst, die einen im Tank entstehenden Überdruck aufzufangen vermag. Beispielsweise handelt es sich bei der Hülle um eine durch Aramid verstärkte oder aus Aramid bestehende Hülle, so zum Beispiel um eine mit Aramid-Fasern verstärkte Hülle, die nachfolgend Aramid-Hülle genannt wird. Aramid-Fasern werden von der Firma DuPont unter der Marke Kevlar(R) kommerziell
vertrieben. Durch eine solche druckfeste Innenhülle kann Druck kompensiert werden, der durch Boil-Off Gas entsteht. Ein Innendruck im Tank von 2 bis 3 bar absolut können gegenüber der äußeren Struktur durch eine mit Aramid Hülle aufgefangen werden. Aufgrund der Flexibilität kann die Innenhülle leicht an vorgegebene Geometrien angepasst werden, was ein Nachrüsten eines Flugzeuges oder Schiffes mit einem erfindungsgemäßen Tank
erleichtert.
Eine Hülle ist insbesondere dann druckfest im Sinne der vorliegenden
Erfindung, wenn diese einem Druck von 2 bar absolut wenigstens zu widerstehen vermag. Diese Angabe bezieht sich auf die Lagertemperatur des Brennstoffs. Eine Hülle ist kälteresistent im Sinne der vorliegenden
Erfindung, wenn diese der Lagertemperatur des im Tank gelagerten
kryogenen Brennstoffs gewachsen ist.
Um einen druckfesten Tank bereitzustellen, wird dieser regelmäßig aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Eine druckfeste Innenhülle ist im Vergleich dazu relativ leicht, so dass so ein relativ leichter Tank bereit gestellt werden kann. Die Bereitstellung eines leichten Tanks ist für einen mobilen Einsatz wichtig, um den für den Antrieb benötigten Treibstoff minimieren zu können.
Es gibt zwar Stahltanks, die mit einer inneren flexiblen Hülle versehen sind, um so den Tank zuverlässig gegen ein Auslaufen zu sichern. Dies ist
beispielsweise bei Erdtanks, in denen Heizöl gelagert wird, gesetzlich vorgeschrieben. Ein Material, welches in diesen Fällen eingesetzt wird, ist aber nicht kälteresistent im Sinne der vorliegenden Erfindung. Solche Hüllen
von Erdtanks sind statt dessen so ausgelegt, dass diese den herrschenden Umgebungstemperaturen zu widerstehen vermögen.
LNG wird üblicherweise auf -161°C bis - 164°C abgekühlt. Das Material der Hülle ist dann so auszuwählen, dass es wenigstens den Temperaturen gewachsen ist, auf die im Tank gelagertes LNG abgekühlt wurde. Es gibt Aramid - Hüllen, die bis Temperaturen von -197 °C belastbar sind. Eine solche Hülle ist für die Lagerung von LNG besonders gut geeignet. Die aus Aramid bestehende Hülle besteht bevorzugt zu 100% aus Aramid. In einer Ausführungsform umfasst diese Hohlfasern.
In einer anderen Ausführungsform ist die Hülle mit einem gasdichten
Kautschukmaterial wie Gummi getränkt, bzw. mit einer dünnen 1 bis 1,5 mm Schicht aus flexiblen Wärmeisolier- und Dichtstoffen überzogen, wie
aufspritzbare Polyurethane.
Die Hülle ist bevorzugt 1 bis 10 mm, besonders bevorzugt 3 bis 7 mm, so zum Beispiel ca. 5 mm dick.
Wird dieses Aramid als Material der Innenhülle eingesetzt, so wird die
Sicherheit in besonderem Maß erhöht, die gerade bei Flugzeugen besonders wichtig ist, da solche Hüllen besonders leicht flexibel und stabiler als Stahl und Aluminium sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die druckfeste Innenhülle an einem kompressiblen Kunststoffmaterial an, welches der Wärmeisolierung dient. Tritt im Tank aufgrund von Boil-off Gas eine Druckerhöhung auf, so leistet das kompressible Kunststoffmaterial keinen nennenswerten Beitrag, um den Druck aufzufangen und nicht an die sie umgebende Struktur des Flugzeuges oder Schiffes, in dem sie eingebettet ist, weiterleitet und belastet. Übrig bleiben vorwiegend die Massenkräfte, durch Beschleunigung der Verkehrssysteme hervorgerufen, die in Form einer Flächenpressung von
der Struktur des Flugzeuges abgefangen werden müssen. Der Innen Gasdruck im Tank wird statt dessen durch die druckfeste Innenhülle
energetisch in Verformungsarbeit, der Dehnung zum Beispiel vom Werkstoff Kevlar, aufgenommen. Bei dieser Ausführungsform steht eine große Auswahl an wärmeisolierenden, leichten Materialien zur Verfügung. So wird
beispielsweise für die Wärmeisolierung ein aus Polyurethane bestehendes Material eingesetzt und zwar insbesondere in Form eines Schaums, so zum Beispiel in Form eines Weichschaums. Polyurethane kann aber auch als Montageschaum vorliegen, um so eine Wärmeisolation mit geringem
Gewicht bereitzustellen.
Kevlar ist ein elastisches Material, welches sich bis zu 4% dehnen kann.
Polyurethan ist ein nachgiebiges Material. Tritt ein Überdruck im
erfindungsgemäßen Tank auf, so wird sich eine durch Kevlar verstärkte Innenhülle dehnen und den Überdruck auffangen, nicht aber eine aus Polyurethan bestehende, an der Innenhülle anliegende Schicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Tank eine Folie als äußere Hülle, die bevorzugt ebenfalls über gute wärmeisolierende
Eigenschaften verfügt. Durch die äußere Folie wird eine daran angrenzende, innen liegende Schicht des Tanks geschützt. Eine dafür geeignete, ca. 10 mm dicke Folie ist unter der Handelsbezeichnung„Mija" erhältlich.
Um ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Tank auszurüsten, wird in einer Ausführungsform der Erfindung auf Wände eines Raums im Flugzeug zunächst die oben genannte äußere Folie aufgebracht. Insbesondere wird ein Raum in einem Flügel des Flugzeugs so mit einer Folie ausgekleidet.
Ein Flugzeugflügel bzw. eine Tragfläche eines Flugzeugs heutiger Bauart besteht aus zwei gefrästen Teilen, nämlich einer Oberseite und einer
Unterseite. Ausgefräst werden innenliegende Stringer (Längsversteifungen) einer solchen Tragfläche. Stringer einer solchen Tragfläche ragen
regelmäßig je nach Größe des Flügels bis 120 mm in das Innere der
Tragfläche hinein. Um ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Tank
nachzurüsten, wird in einer Ausführungsform u. a. auf solche Stringer eine erste äußere Folie aufgebracht und zwar insbesondere aufgeklebt. Die Folie kann leicht an die vorgegeben Geometrien angepasst werden. In einem nächsten Arbeitsgang werden auf die Folie wärmeisolierende, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Kacheln aufgebracht. Die Kacheln können zum Beispiel aus Polyurethane bestehen. Die Kacheln sind bevorzugt zwischen 6 und 10 cm dick. Mit Kacheln kann die so bereitgestellte
wärmeisolierende Schicht leicht an vorgegebene Geometrien angepasst werden. Die Kacheln werden vorzugsweise auf die Folie zum Beispiel mit einem Silikonkleber aufgeklebt, um so die Kacheln schnell anbringen zu können.
Anschließend wird eine die druckfeste Hülle auf die Innenseite der Kachel aufgebracht. Bevorzugt wird die Innenseite zuvor mit einem Klebstoff versehen. Danach wird die druckfeste Hülle in den Innenraum
hineingebracht und aufgeblasen. Die Hülle legt sich dann an die Kacheln an und wird so mit diesen verklebt. An Flügeltanks mit tiefgekühltem Gas sind besonders hohe Anforderung in Bezug auf Wärmeisolation zu stellen, damit keine zusätzliche Gefahr der Flügelvereisung insbesondere bei Landevorgängen besteht. Deshalb wird in einer Ausführungsform eine Heizfolie auf die Flügel eines Flugzeuges aufgebracht, um durch Heizen mit elektrischer Energie einer Vereisung entgegenwirken zu können. Eine sehr dünne zweidimensionale Folie aus Kohlenstoff ist als Heizfolie besonders geeignet. Als Material wird ganz besonders bevorzugt„Graphen" eingesetzt, welches von Prof. Andre Greim aus den Niederlanden entwickelt wurde, die im übrigen vorteilhaft auch noch gasdicht ausgestaltet sein kann.
Bevorzugt werden ein oder mehrere vorhandene Kerosintanks eines
Flugzeuges in der beschriebenen so nachgerüstet und zwar insbesondere Tanks einer Tragfläche, die an den Flugzeugrumpf angrenzen, also
Flügelwurzeltanks. Weitere Tanks eines Flugzeuges, die sich weiter außen in
den Flügeln befinden, werden dagegen nicht umgerüstet. Das darin gelagerte Kerosin dient erfindungsgemäß als Sicherheit, beispielsweise um ein Flugzeug auch dann noch betreiben zu können, wenn es mehr als den für einen Flug ursprünglich vorgesehenen Treibstoff verbraucht.
Wird ein Tank in der beschriebenen Weise nachgerüstet, so stehen zwei gasdichte Hüllen zur Verfügung, nämlich zum einen eine äußere Hülle des Kerosintanks und zum anderen die innere druckfeste Hülle, die besonders stabil ist, wenn diese Aramid umfasst. Als äußere gasdichte Hülle wird wiederum Graphen besonders bevorzugt, da dieses Material besonders gasdicht ist. Graphen ist extrem dünn und damit leicht , dass eine solche Folie auch als zweidimensionale Folie bezeichnet wird. Graphen ist nur eine Atomlage dick. Dadurch wird ein tiefkalter Brennstoff dann besonders sicher gelagert. Besonders problematisch ist das Boil-Off Gas, welches sich entzünden kann, obwohl die Flammtemperatur um 400° C höher liegt als bei Kerosin. Entsprechend hoch sind die Sicherheitsanforderungen, die durch einen entsprechenden Tank zu erfüllen sind.
In einer Airbusmaschine A 380 können durch die Erfindung 15 bis 20 Tonnen an Gewicht eingespart werden, wenn das Flugzeug mit LNG betankt wird und mit Kerosin gefüllte Tanks nur noch aus Reservegründen wie beschrieben entsprechend eingeschränkt vorhanden sind. Die angegebene
Gewichtsersparnis berücksichtigt bereits das Zusatzgewicht, welches durch die Umrüstung von Tanks und zusätzliche Brennstoffleitungen auftritt. Die Treibstoffgewichtseinsparung ist also höher.
Ein Flugzeug, welches nachträglich mit erfindungsgemäßen Tanks versehen werden soll, wird bevorzugt mit weiteren Tanks nachgerüstet, die
beispielsweise links und rechts von einem Zentraltank eines Flugzeugs eingebaut werden. Hinreichend Platz ist bei Passagierflugzeugen im
Langstreckenbereich vorhanden. Damit wird zusätzliches Tankvolumen
bereitgestellt, welches benötigt wird, weil das Volumen für LNG im Vergleich zum Volumen für Kerosin bei gleichem Energieinhalt größer ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden auch mit einem
erfindungsgemäßen Tank verbundene Rohre und Kupplungssysteme mit einer Hülle aus Graphen so versehen, so zum Beispiel umwickelt, dass die
Graphenfolie weiter verbessert zur Gasdichtigkeit beiträgt.
Eine aus Graphen bestehende Folie kann leicht mit Hilfe einer weiteren Folie abgewickelt und aufgebracht werden. Aufgrund von Adhäsion haftet
Graphen sehr leicht und zuverlässig auf anderen Oberflächen.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein für den bzw. als Tank bereitgestellter Raum aus Scandium gebildete Wände. Es kann sich aber auch um eine aus Scandium bestehende, äußere Folie handeln, die den Tankraum begrenzt. Es gelingt so eine Gewichtsreduzierung so zum Beispiel im Vergleich zu Tanks, die eine aus Aluminium bestehende äußere Hülle aufweisen. Bei gleicher Stabilität ist nämlich Scandium leichter im Vergleich zu Aluminium.
In einer Ausführungsform umfasst die Innenhülle des Tanks Stege oder mit Löchern versehene Wände, die von einer Innenwand der Hülle bis zu einer gegenüberliegenden Innenwand reichen und an beiden Innenwänden befestigt sind. Diese Stege oder Wände tragen verbessert dazu bei, dass einen im Tank herrschender Überdruck durch die Innenhülle aufgefangen wird. Die mit Löchern versehenen Wände sind bevorzugt zueinander wabenförmig angeordnet.
Figur 1 zeigt einen Tank im Schnitt, der eine äußere metallische,
vorzugsweise aus Aluminium bestehende Hülle 1 aufweist, eine daran angrenzende Folie 2, daran angrenzende, aus Polyurethane bestehende Kacheln 3 und eine daran angrenzende Aramid-Hülle 4. Darüber hinaus ist der Tank mit ein oder mehreren Zu- oder Auslässen 5 versehen, die aus
Sicherheitsgründen bevorzugt wie dargestellt nach oben aus dem Tank herausführen.
Claims
1. Tank für einen kryogenen Treibstoff mit einer äußeren Struktur und einer flexiblen, druckfesten, kälteresistenten Innenhülle (4).
2. Tank nach Anspruch 1, bei dem die Innenhülle (4) einem Druck von 2 bar absolut, vorzugsweise von 3 bar absolut zu widerstehen vermag.
3. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Innenhülle (4) bei -170° C kälteresistent ist.
4. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Innenhülle (4) aus Aramid besteht oder durch Aramid verstärkt ist.
5. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Innenhülle (4) eine Aramid-Hülle ist.
6. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Innenhülle (4) an einer kompressiblen Schicht (3) anliegt.
7. Tank nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die kompressible Schicht (3) wenigstens 8 cm dick ist und/ oder aus Kunststoff besteht.
8. Tank nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die kompressible Schicht (3) aus Polyurethane besteht.
9. Tank nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die kompressible Schicht (3) durch Kacheln gebildet ist.
10. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Folie (2), die von außen an einer kompressiblen, wärmeisolierenden Schicht (3) anliegt. 2
11. Tank insbesondere nach einem der vorhergehenden Wände mit einer äußeren, aus Graphen bestehenden Hülle.
12. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit damit
verbundenen Rohren und/ oder Kupplungselementen, die mit Graphen gasdicht nach außen abgeschirmt sind.
13. Tank insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem aus Scandium gebildeten Behälter.
14. Flugzeug mit einem Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Flugzeug insbesondere nach dem vorhergehenden Anspruch mit einer elektrisch beheizbaren Folie auf Flugzeug-Tragflächen.
16. Flugzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die
beheizbare Folie aus Graphen gebildet ist.
17. Verfahren für das Nachrüsten eines Flugzeugs mit einem Tank für einen kryogenen Treibstoff, indem ein Tank für Kerosin mit einer Folie (2) ausgekleidet wird, auf die Folie aus Kunststoff bestehende Kacheln (3) aufgeklebt werden und auf die Kacheln (3) eine druckfeste Innenhülle (4) aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt wird.
18. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Innenhülle (4) eine Aramid-Hülle ist.
19. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kacheln (3) aus Polyurethane bestehen.
20. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, bei dem innen liegende Tanks von Tragflächen nachgerüstet werden, die an den Flugzeugrumpf angrenzen, nicht aber Tanks, die relativ dazu außen liegen.
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