AT520626A1 - Luftkissenfahrzeug - Google Patents

Abstract

Bei einem Luftkissenfahrzeug umfassend einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens, umfasst die Einrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs eine Vielzahl von gesondert ansteuerbaren Strömungsmaschinen, die zur Ausbildung voneinander verschiedener Umfangsabschnitte des Luftvorhangs angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftkissenfahrzeug umfassend einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens.

Es gibt eine Vielzahl von Fortbewegungsmitteln, die sich aufgrund von Druckunterschieden im Raum bewegen können, z.B. Flugzeuge mit Tragflügeln für den Auftrieb, Luftkissenboote mit Überdruck unter dem Fahrzeug sowie Bodeneffektfluggeräte. Doch kein Fortbewegungsmittel vereint die verschiedenen Eigenschaften dieser Geräte so in sich, dass es einerseits straßenverkehrstauglich ist und andererseits ohne Räder, Fahrwerk oder andere Hilfsmittel auskommt, die sich durch ihr Gewicht negativ auf die Flugeigenschaften auswirken. Um straßenverkehrstauglich zu sein, ist eine sehr präzise Steuerung des Fahrzeuges erforderlich, denn die räumliche Lage muss in Bodennähe auf max. +/-0,1 m genau reguliert werden können, um am Straßenverkehr teilnehmen zu können.

Es ist kein Fahrzeug bekannt, welches die Vorteile eines Flugzeugs mit denen eines Automobils kombiniert und das prä2ise genug ohne Bodenkontakt im Straßenverkehr gesteuert werden kann. Der Nachteil von Fahrzeugen mit Rädern ist bekannt. Einerseits erzeugen solche Fahrzeuge einen Rollwiderstand, andererseits müssen die Räder der Fahrzeuge, wenn diese sich mit höheren Geschwindigkeiten fortbewegen können sollen, aufwendig gelagert und gedämpft werden, um die Unebenheiten der Straße aufzunehmen. Flugzeuge sind sehr effizient im Luftraum, eignen sich jedoch nicht für den Straßenverkehr. Darum ist das

Reiseziel mit einem Flugzeug meistens nicht direkt erreichbar, sondern lediglich über Umwege, wobei ein Umsteigen von einem anderen oder auf ein anderes Verkehrsmittel erforderlich ist. Luftkissenfahrzeuge und Bodeneffektfahrzeuge lassen sich nur ungenau steuern, weshalb sie sich für den Straßenverkehr nicht eignen. Zudem können sich Luftkissenfahrzeuge und Bodeneffektfahrzeuge vom Boden nicht lösen, da für sie ein Überdruck zwischen Boden und Fahrzeug zwingend notwendig ist.

Bei Luftkissenfahrzeugen sind grundsätzlich zwei verschiedene Bauarten bekannt, mit denen ein Luftüberdruck unterhalb des Fahrzeugbodens erzeugt werden kann. Bei der einen Bauart ist unter dem Fahrzeug eine offene Luftkammer vorgesehen, die ein relativ großes Volumen aufweist und der die Luft unter einem niedrigen Druck zugeführt wird. Die Luftkammer wird seitlich von einer flexiblen Schürze umgeben und begrenzt, die zusammen mit der Unterseite des Fahrzeuges eine unten offene Kammer bildet. Bei der anderen Bauart ist ein sich um den Umfang des Fahrzeugs bzw. Fahrzeugbodens herum oder nahe desselben umlaufender Schlitz oder eine Düse vorgesehen, die unter relativ hohem Druck einen nach unten und nach innen gerichteten Luftvorhang erzeugt, um-den Luftpolster aufrechtzuerhalten. Die offene Luftkammer hat den Vorteil, dass sie einfach aufgebaut ist. Die Bauweise mit Luftvorhang ist im allgemeinen insofern wirkungsvoller, als weniger Luft verloren geht, sie erfordert aber einen viel komplizierteren Aufbau. In jedem Fall muss hinreichend viel Luft kontinuierlich nachgeliefert werden, um den Druck unter dem Fahrzeug aufrechtzuerhalten, damit dieses von der tragenden Oberfläche angehoben wird, und um die Luft zu ersetzen, die am Umfang der Unterseite des Fahrzeugs verloren geht.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein Luftkissenfahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass einerseits eine präzise Steuerung der räumlichen Lage des Fahrzeuges in Bodennähe und andererseits auch eine bodenferne Fortbewegung ermöglicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Luftkissenfahrzeug der eingangs genannten Art, welches einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens umfasst, vor, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs eine Vielzahl von gesondert ansteuerbaren Strömungsmaschinen umfasst, die zur Ausbildung voneinander verschiedener Umfangsabschnitte des Luftvorhangs angeordnet sind. Durch die gesonderte Ansteuerung der Vielzahl von Strömungsmaschinen gelingt eine lokale Variierung bzw. Einstellung der Schubkraft des Luftvorhangs.

Dadurch, dass die Schubkraft des Luftvorhangs lokal variiert werden kann, wird eine überaus genaue Steuerung der räumlichen Lage des Fahrzeugs gewährleistet. Dies ermöglicht einerseits eine präzise Positionskontrolle im Schwebezustand des Fahrzeugs auf dem Luftkissen, indem beispielsweise Lenkbewegungen oder Korrekturbewegungen zur Einhaltung einer vordefinierten Position durch Einstellung einer bestimmten Schubdifferenz zwischen gegenüber liegenden Stellen des Luftvorhangs vorgenommen werden. Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung ein Abheben vom bodennahen Bereich, z.B. auf eine Höhe von > 5 m über dem Boden, indem der von den den Luftvorhang erzeugenden Strömungsmaschinen erzeugte Schub entsprechend erhöht wird, wobei die erforderliche Stabilisierung des Fahrzeugs in der Luft wiederum durch die lokale Anpassung der Schubkraft des Luftvorhangs erreicht wird.

Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass eine

Steuereinrichtung zur Einzelansteuerung der

Strömungsmaschinen und wenigstens ein Positions- und/oder Lagesensor vorgesehen sind, dessen Sensorsignale der Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die

Strömungsmaschinen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen anzusteuern. Der wenigstens eine Positions- und/oder Lagesensor kann einen optischen Sensor, einen Ultraschall-Sensor, GPS-Signalempfänger und/oder

Beschleunigungssensoren umfassen. Mit solchen Sensoren lassen sich bereits kleinste Verschiebungen zwischen Sollund Ist-Zustand in x- und y-Richtung zwischen dem Fahrzeug und dem Untergrund feststellen und die Lage des Fahrzeugs dementsprechend über eine lokale Veränderung des Schubes des Luftvorhangs korrigieren. Die erforderliche

Schubdifferenz des Luftvorhangs wird automatisch aufgrund von Sensordaten berechnet.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung sind die

Strömungsmaschinen zur voneinander unabhängigen, stufenlosen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet. Dadurch wird eine möglichst feine Einstellung des von jeder einzelnen Strömungsmaschine erzeugten Schubes erreicht.

In konstruktiv besonders vorteilhafter Weise kann ein sich entlang des Fahrzeugbodenrandes erstreckender Strömungsspalt zur Ausbildung des Luftvorhangs vorgesehen sein, wobei die Druckseiten der Strömungsmaschinen mit voneinander verschiedenen Umfangsabschnitten des Strömungsspaltes in Strömungsverbindung stehen. Jede Strömungsmaschine ist somit einem bestimmten Umfangsabschnitt des Strömungsspaltes zugeordnet und erzeugt den dort jeweils gewünschten Schub. Die Strömungsmaschinen müssen hierbei nicht notwendigerweise unmittelbar am jeweiligen Umfangsabschnitt positioniert sein, sondern können auch an einer davon entfernten Position angeordnet sein, wobei die Druckseite dann über entsprechende Strömungskanäle mit dem Umfangsabschnitt verbunden ist. Je größer die Anzahl der Strömungsmaschinen gewählt ist, desto kürzer ist der jeder Strömungsmaschine zugeordnete Umfangsabschnitt und desto genauer lassen sich die gewünschten Schubkräfte entlang des Umfangs des Fahrzeugs positionieren. Bevorzugt erstreckt sich jeder Umfangsabschnitt über eine Länge von < 50 cm, bevorzugt < 30 cm.

Der genannte Strömungsspalt kann als über den gesamten Rand bzw. Umfang des Fahrzeugs durchgehender, nicht unterbrochener Spalt ausgebildet sein oder es können die einzelnen Umfangsabschnitte des Strömungsspaltes beispielsweise durch die Anordnung von Stegen voneinander baulich getrennt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung können zwei oder mehrere umlaufende Strömungsspalte parallel bzw. konzentrisch angeordnet sein, über welche jeweils Luft ausgestoßen werden, sodass zwei bzw. mehrere parallele Luftvorhänge erzeugt werden, wobei je Luftvorhang ein geringeres Druckgefälle vorherrscht, wodurch die

Strömungsgeschwindigkeiten reduziert werden können.

Die individuelle Einsteilbarkeit des Schubs in jedem Umfangsabschnitt kann vorzugsweise dazu genutzt werden, um ein gewünschtes Drehmoment auf das Fahrzeug aufzubringen, indem z.B. auf der linken Seite des Fahrzeugs ein größerer Schub eingestellt wird als auf der rechten Seite. Das Drehmoment bewirkt im gewünschten Ausmaß eine

Schrägstellung des Fahrzeugs relativ zum Untergrund, wodurch die vom Luftkissen auf das Fahrzeug wirkende Kraft eine Seitwärtsbewegung des Fahrzeugs bewirkt. Auf diese Weise kann eine Positionsveränderung in jede beliebige Richtung erfolgen.

Bevorzugt können Mittel zur Verstellung des von den einzelnen Strömungsmaschinen erzeugten Schubvektors vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von verstellbaren Leiteinrichtungen, insbesondere Leitflächen, oder durch eine Verschwenkung der Strömungsmaschine erfolgen. Die Verstellung der Schubvektoren erlaubt zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten, insbesondere die Einstellung bzw. Verstellung der Fahrtrichtung.

Um mit einem möglichst geringen Luftstrom eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und dadurch einen großen Schub zu erzeugen, kann ein düsenartiger Querschnitt des

Strömungsspaltes vorgesehen sein, wobei der Strömungsspalt in Strömungsrichtung gesehen bevorzugt einen ersten Abschnitt mit sich verringerndem Strömungsquerschnitt und einen zweiten Abschnitt mit sich vergrößerndem

Strömungsquerschnitt umfasst.

In bevorzugter Weise umfassen die Strömungsmaschinen jeweils einen elektrisch antreibbaren Rotor, vorzugsweise Propeller. Der elektrische Antrieb erlaubtin einfacher Weise eine stufenlose Änderung der Drehzahl mittels einer elektronischen Steuervorrichtung.

Wenn, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung entspricht, dem Strömungsspalt benachbart wenigstens ein Leitkörper zur Rückgewinnung von Luft aus dem LuftVorhang angeordnet ist, kann der Anteil der Luft, die seitlich des Fahrzeugbodens wegströmt minimiert werden, was einerseits den Bedarf an aus der Umgebung neu zugeführter Luft verringert und andererseits die unerwünschte Winderzeugung in der Umgebung des Fahrzeugs vermeidet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die rückgewonnene Luft rezirkuliert, d.h. erneut dem Luftvorhang zugeführt wird. Für die Luftrückgewinnung kann ein umlaufender Strömungsspalt vorgesehen sein, der parallel zu dem den Luftvorhang erzeugenden Strömungsspalt und bevorzugt radial außerhalb desselben angeordnet ist. Über den inneren Strömungsspalt wird hierbei Luft ausgestoßen, um den Luftvorhang zu erzeugen, und über den äußeren Strömungspalt wird die ausgestoßene Luft zumindest teilweise eingesaugt. Eine solche Luftumwälzung kann eine turbulente Strömung erzeugen, die zur Entstehung und Aufrechterhaltung des gewünschten Überdrucks unterhalb des Fahrzeugbodens beiträgt. Weiters kann die turbulente Strömung dazu führen, dass die Luft in Umfangsrichtung des

Luftvorhangs verteilt wird, was wiederum die Möglichkeit bietet, die Anzahl der Strömungsmaschinen zu reduzieren.

Bevorzugt kann die aus Strömungsspalt und zugeordnetem Rückführungsspalt bestehende Anordnung auch mehrstufig vorgesehen sein. Es sind dann zumindest vier parallel bzw. konzentrisch angeordnete Luftspalte vorgesehen, nämlich von innen nach außen gesehen zuerst ein den ersten Luftvorhang erzeugender Strömungsspalt, dann ein diesem zugeordneter erster Rückführungsspalt, dann ein den zweiten Luftvorhang erzeugender Strömungsspalt und schließlich ein diesem zugeordneter zweiter Rückführungsspalt. Die Erzeugung von zwei oder mehreren Luftvorhängen mit jeweiliger Luftrückführung bewirkt einen geringeren Druckverlust je Luftvorhang und führt damit zu einer Effizienzsteigerung.

Mit Vorteil ist wenigstens ein Schubaggregat zum Vortrieb des Fahrzeugkörpers vorgesehen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein von den den Luftvorhang erzeugenden Strömungsmaschinen verschiedenes Aggregat. Das Schubaggregat ist hierbei vorgesehen, um einen Schub in Fahrtrichtung, insbesondere nach vorne, zu erzeugen, wobei das Schubaggregat zu diesem Zweck bevorzugt im hinteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist.

Um mit Hilfe des Schubaggregats zusätzliche

Steuerungsmöglichkeiten zu realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass das wenigstens eine Schubaggregat eine Mehrzahl von gesondert ansteuerbaren schuberzeugenden Elementen, insbesondere Strömungsmaschinen, umfasst, deren Schubachsen in horizontaler und/oder vertikaler Querrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Durch gezielte Ansteuerung der einzelnen Strftrhn,ngSih3SChincn kann nach Bedarf ein Drehmoment um eine horizontale Achse und/oder um eine vertikale Querachse auf das Fahrzeug aufgebracht werden.

Um das Fahrzeug zusätzlich als Fluggerät einsetzen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Fahrzeug, insbesondere der Fahrzeugkörper wenigstens ein Tragflächenprofil zur Erzeugung eines Auftriebs aufweist. Insbesondere kann der Fahrzeugkörper in der Längsmittelebene einen tragflächenartigen Querschnitt aufweisen. Dies führt dazu, dass das Fahrzeug, nachdem es einen ausreichenden Abstand vom Boden erreicht hat, bei Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit den entstehenden dynamischem Auftrieb ausnützt, um mit geringem Energieeinsatz fortbewegt zu werden. Die Funktion des Tragflächenprofils besteht darin, durch Beeinflussung der Umströmung eine ausreichend große Kraft senkrecht zur Anströmrichtung zu erzeugen.

Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug hierbei als Nurflügler ausgebildet. Die erforderliche aerodynamische Stabilisierung, insbesondere um die Querachse, des Fahrzeugs in der Luft kann durch Lagekorrekturbewegungen vorgenommen werden, die bevorzugt mit Hilfe einer gezielten Ansteuerung derjenigen Strömungsmaschinen erfolgt, die sonst für die Erzeugung des Luftvorhangs vorgesehen sind.

In einer Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Fahrzeug durch die folgenden Merkmale aus:

Es lässt sich wie ein Automobil im Rahmen der bestehenden Infrastruktur (wie z.B. Parkplätze und Straßen) nutzen.

Das Fahrzeug kann ohne Räder bewegt werden, so dass auf Räder und Radaufhängungen verzichtet werden kann.

Das Fahrzeug kann sich unabhängig vom jeweiligen Untergrund fortbewegen bzw. fliegen, damit das Reiseziel auf direkten Weg in der Luftlinie erreicht werden kann. Diese Eigenschaft ist insbesondere in unwegsamem Gelände (z.B. in Bergregionen oder in Regionen mit beschränkter Straßeninfrastruktur) von Vorteil und kann Rettungsdiensten helfen, Hindernisse sofort zu überwinden.

Das Fahrzeug erreicht sowohl vertikale Bewegungen als auch die horizontale Fortbewegung mit möglichst wenig Energieaufwand.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt des Fahrzeugs, Fig. 2 eine Unteransicht des Fahrzeugs gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der

Fig. 1, Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie B-B der

Fig. 1, Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie C-C der

Fig. 1, Fig. 6 eine Detailansicht eines Strömungsspalts in einer ersten Ausführung, Fig. 7 eine Detailansicht eines Strömungsspalts in einer zweiten Ausführung und Fig. 8 eine Detailansicht eines StrömungsSpalts in einer dritten Ausführung.

Im Längsschnitt gemäß Fig. 1 ist das Fahrzeug 1 dargestellt, welches einen Fahrzeugkörper 2 mit einem Fahrzeugboden 3 aufweist. Der Fahrzeugkörper umfasst eine gewölbte Dachlinie 4, sodass diese gemeinsam mit dem im Wesentlichen ebenen Boden ein Tragflächenprofil ausbildet, welches bei einer Luftanströmung von vorne gemäß dem Pfeil 5 bei Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit einen dynamischen Auftrieb erzeugt. Zur Erzeugung eines Vortriebs ist ein Schubaggregat 6 am hinteren Ende des Fahrzeugs 2 angeordnet, welches eine Mehrzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 7, umfasst. Damit das Fahrzeug oberhalb des Untergrunds 8 auf einem Luftkissen 9 schweben kann, verfügt es über eine Vielzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern, die einen sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens 3 erstreckenden Luftvorhang erzeugen.

Der Luftvorhang umfasst dabei einen vorderen Abschnitt am vorderen Rand des Fahrzeugbodens 2, einen hinteren Abschnitt am hinteren Rand des Fahrzeugbodens 2 und zwei seitliche Abschnitt an den beiden Seitenrändern des Fahrzeugbodens 2. Zur Erzeugung des vorderen Abschnitts des Luftvorhangs ist ein Strömungsspalt 10 ausgebildet, über welchen mit Hilfe von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 11, eine Luftströmung in Richtung zum Luftkissen 9 erzeugt werden kann. Zur Erzeugung des hinteren

Abschnitts des Luftvorhangs ist ein Strömungsspalt 12 ausgebildet, über welchen mit Hilfe von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 13, ebenfalls eine Luftströmung in Richtung zum Luftkissen 9 erzeugt werden kann.

In der Unteransicht gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich die Austrittsöffnung der Strömungsspalte 10 und 12 über die gesamte Breite a des Fahrzeugbodens 3 erstreckt, sodass sich ein entsprechender Luftvorhang ergibt- Weiters sind in der Unteransicht auch die seitlichen Strömungsspalte 14 und 15 ersichtlich, die der Ausbildung der seitlichen

Abschnitte des Luftvorhangs dienen. In den Strömungsspalten 14 und 15 ist jeweils eine Vielzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 16, nebeneinander angeordnet, um entlang der seitlichen Ränder eine Luftströmung zu erzeugen. Insgesamt bilden die seitlichen Abschnitte des Luftvorhangs sowie der vordere und der hinteren Abschnitt des Luftvorhangs gemeinsam einen durchgehenden umlaufenden Luftvorhang aus, der das Luftkissen 9 unterhalb des Fahrzugsbodens 3 aufrechterhält. Die Strömungsmaschinen 11, 13 und 16 sind hierbei unabhängig voneinander ansteuerbar, sodass der am jeweiligen Abschnitt des Luftvorhangs wirkende Schub eingestellt werden kann, insbesondere an unterschiedlichen Abschnitten des Luftvorhangs unterschiedlich große Schubkräfte zur Anwendung gebracht werden können. Dabei können die Strömungsmaschinen 11, 13 und 16 steuerungsmäßig auch zu Gruppen zusammengefasst werden, wobei lediglich die Gruppen unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 sind die seitlichen Strömungsspalte 14 und 15 besser ersichtlich, wobei die Strömungsmaschinen 16 so ausgerichtet sind, dass der erzeugte Luftvorhang leicht nach innen in Richtung zum Luftkissen 9 gerichtet ist. Eine äußere Leiteinrichtung 17 begrenzt den Strömungsspalt 14 b2w. 15 und ermöglicht ein Rezirkulieren der Luft aus dem Luftvorhang derart, dass diese Luft radial außerhalb der Leiteinrichtung 17 nach oben strömen und von oben wieder in den Strömungsspalt 14 bzw. 15 eingesaugt wird.

In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 4 sind die Strömungsmaschinen 11 zur Ausbildung des vorderen Abschnitts des Luftvorhangs ersichtlich.

In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 5 sind sowohl die Strömungsmaschinen 7 des Schubaggregats 6 als auch die Strömungsmaschinen 13 zur Ausbildung des hinteren

Abschnitts des Luftvorhangs ersichtlich. Das Schubaggregat umfasst hierbei sowohl in einer horizontalen Reihe angeordnete Strömungsmaschinen 7 als auch seitliche Strömungsmaschinen Ί' . Dadurch, dass die einzelnen Strömungsmaschinen 7 und 7' gesondert voneinander ansteuerbar sind, kann durch Erzeugung eines unterschiedlich starken Schubes ein Drehmoment um eine horizontale Achse oder eine vertikale Querachse des Fahrzeugs 1 erzeugt werden.

In den Fig. 6, 7 und 8 sind alternative Ausbildungen der Strömungsspalten 14 und 15 dargestellt, ln Fig. 6 ist die Leiteinrichtung 17 weggelassen, sodass eine Rezirkulierung der Luft aus dem Luftvorhang nicht stattfindet. In Fig. 7 bildet die Leiteinrichtung 17 eine seitliche Begrenzung derart, dass eine Rückströmung von Luft aus dem Luftvorhang radial außerhalb der Leiteinrichtung nicht ermöglicht wird, sondern dass eine turbulente Strömung, nämlich ein Luftwirbel um eine Achse 18 erzeugt wird. Bei der Ausbildung gemäß Fig. 8 wird lediglich ein Teil der Luft aus dem Luftvorhang rezirkuliert, wobei der andere Teil seitlich abströmen kann.

Das Fahrzeug gemäß dem Ausführungsbeispiel verfügt dabei über die folgenden Fortbewegungsmöglichkeiten: 1) Schweben: Schweben erfordert Bodennähe. Die vertikale Lage des Fahrzeugs wird durch Überdruck zwischen dem Fahrzeug und dem Boden reguliert und zwar durch die Strömungsspalten bei geringem Energiebedarf. 2) Bodeneffekt: Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Bodeneffekt genutzt, was zu einer weiteren Reduktion des Energiebedarfs führt. 3) Vertikale Bewegung sowie Seitwärtsbewegung in alle Richtungen: Das Fahrzeug kann sich durch den Schub, der in den Strömungsspalten erzeugt wird, vertikal unabhängig vom Boden in alle Richtungen bewegen. 4) Fliegen: Die vertikale Lage wird bei höheren

Fortbewegungsgeschwindigkeiten unabhängig von der Bodennähe mit einem Unterdrück auf der Oberseite und/oder Überdruck auf der Unterseite des Fahrzeugs in der vertikalen Lage gehalten. Dabei wird der erforderliche Korrekturschub für die räumliche Ausrichtung der Fahrgastzelle in den Strömungsspalten gering gehalten, um den Energiebedarf zu minimieren. 5) Korrekturschub: Die Korrektur der räumlichen Lage erfolgt automatisch mittels Korrekturschub unter Verwendung der Messdaten der Sensoren.

Das Schweben kann je nach Geschwindigkeit des Fahrzeuges unterschiedlich erzeugt werden. Bei geringen Geschwindigkeiten schwebt das Fahrzeug durch den Überdruck im Raum zwischen Fahrzeug und Boden. Der Überdruck wird erzeugt und gehalten, indem am Rande des Überdruckbereichs Luft durch den dort angeordneten StrömungsSpalt eingeblasen wird, um einen Luftvorhang zu erzeugen, wodurch eine Strömung vom Überdruckbereich zum Umgebungsdruckbereich verhindert wird. Durch den Impuls, der von der Strömung des Luftvorhangs auf die aus dem Luftkissen zum Rand des Fahrzeugs strömende Luft ausgeübt wird, bleibt der Überdruck unter dem Fahrzeug erhalten. Dabei kann dieser Impuls entweder durch die Strömung durch das Verwenden von neuer Luft (Fig. 6) oder durch einen Strömungswirbel (Fig. 7) auf Grund der Rezirkulierung der Luft aus dem

Luftvorhang erzeugt werden. Der Vorteil der Rezirkulierung liegt darin, dass die in die Umgebung abströmende Luftmenge stark reduziert wird, so dass die beidseits des Fahrzeugs entstehende, für Passanten unangenehme Wirbelbildung verringert wird. Bei der Bauart ohne Luftrezirkulierung (Fig. 6) entspricht die abströmende Luftmenge der neu eingeblasenen Luftmenge. Der. Vorteil dieser Bauart liegt in der höheren Effizienz, der Nachteil hingegen in den Verwirbelungen der abströmenden Luft. Wenn gemäß einer weiteren Variante (Fig. 8) lediglich ein Teil der Luft aus dem Luftvorhang rezirkuliert wird, reduziert dies die horizontale Strömungsgeschwindigkeit in einem Abstand von einem Meter vom Fahrzeug gemessen um bis zu 30%, wobei der zusätzliche Energieaufwand <10% beträgt.

Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Überdruckbereich, d.h. der das Luftkissen oben begrenzende Bodenbereich, eine Fläche von 8,6m2. Das Fahrzeuggewicht beträgt 400kg. Der im Luftkissen herrschende Überdruck Pü beträgt ca. 0,5 kN/m2. Bei einer Schwebehöhe (h) ist die Strömungsgeschwindigkeit für die Erzeugung des Luftvorhangs im Strömungsspalt von der Strömungsspaltenbreite (b) und deren Ausrichtung abhängig. Bei einer mittleren Strömungsspaltbreite Az von 0,15m und einer Schwebehöhe h von 0,15m beträgt die Abströmfläche Aa 0,15mz/m. Der erforderliche Impuls Ia auf die Abströmfläche Aa beträgt Aa*Pu = Ia, somit 0,07kN/s pro m. Der Gegenimpuls Iz wird bei einer Strömungsgeschwindigkeit vz von 20m/s im Strömungsspalt erreicht, weil Iz = vz2 * Az * p (Luftdichte in kg/m3) . Messungen haben ergeben, dass aufgrund von Verlusten, die notwendig sind, um einen Impuls Iz zu erreichen, der dem Impuls Ia entspricht, der Impuls Is in der Strömungsspalte um den Faktor 1,5 bis 2,5 höher sein muss als der Impuls Iz bzw. I9. Somit resultiert für die oben beschriebene Ausführung eine Strömungsgeschwindigkeit vz im Strömungsspalt zwischen 24m/s und 32m/s. Der Energieverbrauch beträgt bei einer Schwebehöhe h von 0,15m bei der beschriebenen Ausführung zwischen l,2kWh/m und 3kWh/m Strömungsspalt. Bei der Strömungsspaltenlänge von 13,2m beträgt somit der gesamte Schwebeenergiebedarf zwischen 15,8kWh und 40kWh.

Durch die Reduktion der Schwebehöhe lässt sich der

Energieverbrauch wesentlich reduzieren. Bei einer

Schwebehöhe von 0,05m beträgt der Energiebedarf zwischen 0,3kWh/m und 0,9kWh/m und der Gesamtenergieaufwand liegt somit zwischen 4kWh und 12kWh. Der Schub im Strömungsspalt kann u.a. mittels elektrischer Propeller oder Impeller erzeugt werden. Der Wirkungsgrad liegt dabei zwischen 2 und 6 Gramm/W Schub.

Je geringer die Schwebehöhe ist, desto geringer ist der Energieaufwand. Die Rollreibung cR eines konventionellen Fahrzeuges mit Reifen beträgt zwischen 0,01 und 0,02. Beim Gewicht Fn eines typischen Straßenfahrzeugs zwischen 10kN und 20kN beträgt der Rollwiderstand FR im Mittel 0,22kN. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit vF von 18m/s beträgt die Rollwiderstandsleistung PR bereits ca. 4kW (PR = FR * vF) .

Je nach Schwebehöhe benötigt das Aufrechterhalten des Schwebezustandes des Fahrzeugs weniger Energie als bei einem konventionellen Fahrzeug mit Rädern der Energiebedarf infolge des Rollwiderstands. Ab einer Geschwindigkeit von 60km/h ist aufgrund des Wegfalls des Rollwiderstandes das Fahrzeug bereits energetisch effizienter. Bei Geschwindigkeiten ab 70km/h steigt die Effizient deutlich an, da von dieser Geschwindigkeit an die ersten Bodeneffekte auftreten, bzw. durch die Fahrtluft ein Überdruck zwischen dem Fahrzeugboden und dem Untergrund entsteht, so dass sich der Energiebedarf für die Herstellung des Überdrucks um 15 - 30% reduziert. Je höher die Geschwindigkeit desto stärker die Bodeneffekte und der Auftrieb aufgrund der Fahrgastzellen-Geometrie. Für das Fliegen unter Ausnutzung des dynamischen Auftriebs ergeben sich bei einem Ausführungsbeispiel die folgenden Zusammenhänge: Die Fahrgastzelle hat einen Auftriebswert Ca von zwischen 0,2 und 0,6. Die Auftriebsfläche beträgt ca. 8m2. Der Widerstandsbeiwert Cw - bezogen auf die Auftriebsfläche - beträgt im Mittel zwischen 0,03 und 0,3 abhängig vom Auftrieb und von der Randwirbelbildung, die beide in Bodennähe deutlich reduziert werden. Ab einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 40m/s und 60m/s ist der Auftrieb aufgrund der Fahrgastzellen-Geometrie ausreichend, um das Fahrzeug zu heben.

Der zum Fliegen des Fahrzeugs notwendige Energiebedarf liegt zwischen 35kW/h und 70kW/h, wobei optimal ein Energieverbrauch von 25kWh/100km erreicht werden kann und auch bei hohen Geschwindigkeiten von > 160km/h eine hohe Energieeffizienz gewährleistet ist. Ab einer Geschwindigkeit von ca. 160 km/h ist bei der bevorzugten Bauweise der Unterdrück oberhalb des Fahrzeuges bzw. je nach Lage der Überdruck unterhalb des Fahrzeuges -unabhängig vom Untergrund - genügend groß, damit das Fahrzeug fliegt. Das Fahrzeuggehäuse funktioniert als einziger Tragflügel. Bekanntlich ist ein Nurflügler aufgrund der je nach räumlicher Lage des Fahrzeugs sich veränderten Größe, Richtung und Lage der

Luftkraftresultierenden in seiner Lage nicht stabil. Darum wird die räumliche Lage der Fahrgastzelle bzw. des Nurflüglers laufend mittels Schuberzeugung im Strömungsspalt automatisch korrigiert. Dadurch wird das Fahrzeug durch die ringsum vorhandenen Antriebe in der optimalen Fluglage gehalten.

Beim vertikalen Abheben des Fahrzeugs gelten bei einem Ausführungsbeispiel die folgenden Zusammenhänge: Die erzeugbare vertikale Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsspalt ist variabel und sollte 100m/s nicht überschreiten. Idealerweise liegt diese bei ca. 30m/s. Bei der vertikalen Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsspalt von 45m/s entsteht ein Schub von 4KN bei einer erforderlichen Leistung von ca. 100kW. Diese ermöglicht dem Fahrzeug ein vertikales Starten und Landen. Idealerweise sollte die zur Verfügung gestellte Leistung kurzfristig 150kW betragen können.

Die Steuerung des Fahrzeugs kann durch den Antrieb wie folgt funktionieren: Die Fortbewegung und die Steuerung erfolgen hierbei durch die Veränderung der

Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Schubs im Strömungsspalt. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Spalts variieren. So lässt sich das Fahrzeug in x-, y- und z-Richtung verschieben und es lassen sich Drehungen um die x-, y- und z-Achse erzeugen. Idealerweise wird der Schub durch Rotoren oder Impeller von 10 - 30 cm Durchmesser erzeugt, wobei der Leistungsbereich pro Impeller idealer Weise zwischen 0,5kW und 10kW liegt. Die automatische

Korrektur der Lage erfolgt mittels Radarsensoren und optischer Sensoren. Durch die Kombination dieser Sensoren lässt sich der Schub im Strömungsspalt automatisch regeln, so dass eine Ist-Soll-Position im Schwebemodus von +/- 10cm erreicht wird.

Die Energieversorgung des Fahrzeugs erfolgt bevorzugt über Batterien, kann jedoch auch auf einer Kombination von Batterien mit Brennstoffzellen basieren. Es ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Lithium-Batterien bekannt. Z.B. haben Lithium Polymer Akkus eine Leistungsdichte von zwischen 130Wh/kg und 300Wh/kg. Es sollte ein Akku-Gewicht von 100kg im Fahrzeug nicht überschritten werden. Mit der heutigen Akku-Technik lassen sich somit im Mittel 20kWh Energie speichern. Entladungsraten bis 4C sind für eine konstante Entladung üblich, kurzfristig (d.h. in wenigen Minuten) werden ohne weiteres 10C-Raten erreicht. Ein 20kWh-Akku liefert somit ohne Weiteres die für den Senkrechtstart und die Beschleunigung benötigte Leistung von 150kW und kann 80kW Dauerleistung für hohe Geschwindigkeiten zur Verfügung stellen. Für einen minimalen Energieverbrauch sind folgende Betriebsweisen ideal: Schweben durch Überdruck unter dem Fahrzeug bis zu einer Höhe um die 0,5m. Über dieser Höhe ist es effizienter, den vertikalen Schub des

Strömungsspalts zu verwenden. Die Schwebehöhe sollte, wenn es der Untergrund zulässt, so gering wie möglich gehalten werden, idealer Weise um die 5cm. Bei dieser Schwebehöhe und einer Reisegeschwindigkeit von 120km/h beträgt der Energieverbrauch zwischen 10kWh und 20kWh pro 100km. Bei Geschwindigkeiten von über 160km/h ist Fliegen am effizientesten, und zwar bei einem optimalen

Energieverbrauch von 25kW/h pro 100km. Dieser Modus ist vor allem dort interessant, wo der Weg auf der Straße deutlich länger ist oder Höhenunterschiede überwunden werden müssen, wie z.B. im Gebirge. Energiesparend gegenüber konventionellen Fahrzeugen ist auch die Tatsache, dass diese bei hohen Geschwindigkeiten dem Auftrieb entgegenwirken müssen, während das erfindungsgemäße Fahrzeug diesen nutzt. Der Schwebemodus mittels Schub über 0,5m Flughöhe sollte nur sehr kurz und nur im Notfall zum Starten und Landen in unwegsamem Gelände genutzt werden, da dieser sehr energieintensiv ist.

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   1. Luftkissenfahrzeug umfassend einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs eine Vielzahl von gesondert ansteuerbaren Strömungsmaschinen umfasst, die zur Ausbildung voneinander verschiedener Umfangsabschnitte des Luftvorhangs angeordnet sind.
2. 2. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschinen zur voneinander unabhängigen, stufenlosen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet sind.
3. 3. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich entlang des Fahrzeugbodenrandes erstreckender Strömungsspalt zur Ausbildung des Luftvorhangs vorgesehen ist, wobei die Druckseiten der Strömungsmaschinen mit voneinander verschiedenen Umfangsabschnitten des Strömungsspalt in Strömungsverbindung stehen.
4. 4. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsspalt in Strömungsrichtung gesehen einen ersten Abschnitt mit sich verringerndem Strömungsquerschnitt und einen zweiten Abschnitt mit sich vergrößerndem Strömungsquerschnitt umfasst.
5. 5. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschinen jeweils einen elektrisch antreibbaren Rotor, vorzugsweise Propeller, umfassen.
6. 6. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung wenigstens eines zweiten sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs vorgesehen ist, sodass wenigstens zwei parallele bzw. konzentrische Luftvorhänge, vorzugsweise unter Verwendung von wenigstens zwei parallelen bzw, konzentrischen Strömungsspalten, erzeugbar sind.
7. 7. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungsspalt benachbart wenigstens ein Leitkörper zur Rückgewinnung von Luft aus dem Luftvorhang angeordnet ist.
8. 8. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Einzelansteuerung der Strömungsmaschinen und wenigstens ein Positions- und/oder Lagesensor vorgesehen sind, dessen Sensorsignale der Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Strömungsmaschinen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen anzusteuern.
9. 9. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schubaggregat zum Vortrieb des Fahrzeugkörpers vorgesehen ist.
10. 10. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schubaggregat eine Mehrzahl von gesondert ansteuerbaren schuberzeugenden Elementen, insbesondere Strömungsmaschinen, umfasst, deren Schubachsen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung zueinander versetzt angeordnet sind.
11. 11. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug, insbesondere der Fahrzeugkörper wenigstens ein Tragflächenprofil zur Erzeugung eines Auftriebs aufweist.
12. 12. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkörper in der Längsmittelebene einen tragflächenartigen Querschnitt aufweist.
13. 13. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug als Nurflügler ausgebildet ist.