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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Flugantriebssystems.
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Stand der Technik
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Die Antriebseinheit eines solchen Flugantriebssystems kann z. B. eine axiale Strömungsmaschine sein, die sich funktional in Verdichter, Brennkammer und Turbine gliedert. Im Verdichter wird angesaugte Luft komprimiert, anschließend wird Treibstoff, z. B. Kerosin, hinzugemischt und wird dieses Gemisch in der Brennkammer verbrannt. Das entstehende Heiß- bzw. Verbrennungsgas durchströmt die Turbine und wird dort expandiert, wobei dem Gas anteilig auch Energie zum Antreiben des Verdichters entzogen wird. Zur Vortriebserzeugung kann bspw. ein Propeller oder insbesondere Fan vorgesehen sein, der ebenfalls über die Turbine angetrieben wird. Ein solches Triebwerk mit Fan wird auch als Mantelstromtriebwerk bezeichnet.
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Zusätzlich zu der Antriebseinheit weist das vorliegend in Rede stehende Antriebssystem einen Wasserabführer auf, mit dem bspw. im Falle der axialen Strömungsmaschine aus deren Abgas Wasser abgeschieden werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Flugantriebssystem sowie ein vorteilhaftes Flugantriebssystem für ein Fluggerät anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und dem Antriebssystem gemäß Anspruch 7 gelöst. Zusätzlich zu der Antriebseinheit und dem Wasserabscheider weist das Antriebssystem ein Reservoir zum Aufnehmen von Wasser auf. Während des Fluges des Fluggeräts wird mit dem Wasserabführer Wasser abgeführt, das z. B. aus dem Abgas oder allgemein aus dem Betrieb der Antriebseinheit resultiert. Dabei wird zur Vermeidung oder Verringerung einer Kondensstreifen- bzw. Wolkenbildung zumindest ein Teil dieses Wassers zeitweilig nicht an die Umgebung abgegeben, sondern dem Reservoir zugeführt. Andererseits wird das Wasser in dem Reservoir aber nicht über die gesamte Flugdauer gespeichert, was wegen des zunehmenden Gewichts nachteilig sein könnte. Stattdessen wird es noch während des Fluges, also in der Luft, an die Umgebung angegeben, z. B. wenn die Atmosphäreneigenschaften hinsichtlich einer Wolkenbildung unkritisch oder weniger kritisch sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein für ein bestimmtes Verfahren geeignetes Flugantriebssystem beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, und umgekehrt. Ebenso sind das Flugantriebssystem betreffende Aspekte stets auch auf ein Fluggerät mit einem solchen Flugantriebssystem zu lesen.
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Befindet sich das Fluggerät, bspw. ein Passagierflugzeug, in einer hinsichtlich der Wolkenbildung kritischen Atmosphärenschicht, soll vorübergehend kein Wasser oder zumindest weniger Wasser an die Umgebung abgeben werden, weswegen es im Reservoir zwischengespeichert wird. Eine anderenfalls resultierende Wolken- bzw. Kondensstreifenbildung wird bspw. auch als Einflussgröße beim Klimawandel diskutiert und ist unerwünscht. Befindet sich das Fluggerät später in einer weniger kritischen Atmosphärenschicht, kann das Wasser aus dem Reservoir an die Umgebung abgegeben werden. Dadurch reduziert sich das Gewicht und dementsprechend der für den Auftrieb des Fluggeräts benötigte Schub.
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Das mit dem Wasserabführer abgeführte Wasser resultiert ganz allgemein „aus dem Betrieb der Antriebseinheit“, ergibt sich also jedenfalls mittelbar aus deren den Schub erzeugenden Nutzung. Wie eingangs erläutert, kann im Falle einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere axialen Strömungsmaschine, das Wasser aus deren Abgas abgeführt, also abgeschieden werden. Im Falle eines Wasserstoffflugzeugs kann das Wasser ebenfalls aus der Verbrennung resultieren, es kann sich bei einer Antriebseinheit mit Brennstoffzelle aber auch aus einer Verstromung des Wasserstoffs ergeben, wobei die eigentliche Schuberzeugung dann bspw. über einen Elektromotor erfolgt. Unabhängig davon, ob der Wasserstoff direkt oder indirekt genutzt wird, kann gemäß dem vorliegenden Gegenstand zumindest ein Teil des resultierenden Wassers zwischengespeichert und erst später, aber noch im Flug abgegeben werden. Unabhängig vom Ursprung des Wassers kann erfindungsgemäß einer Kondensstreifen- bzw. Wolkenbildung zumindest vorgebeugt werden, die sich ansonsten, z. B. beim Abgas, infolge einer Auskondensation in der kalten Umgebungsluft ergeben kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest ein Teil des an die Umgebung abgegebenen Wassers aus dem Reservoir unmittelbar in die Umgebung abgeführt. „Unmittelbar“ bedeutet z. B., dass das Wasser im gleichen Aggregatszustand belassen wird, also vor dem Ablassen keine Zustandsänderung erfährt. Generell wird das Wasser bevorzugt in flüssiger Form in dem Reservoir gespeichert, wobei es dann bei der vorliegenden Variante zumindest anteilig auch flüssig abgelassen wird. Bei einem Ablassen unter ungünstigen Atmosphäreneigenschaften (das mit dem Zwischenspeichern vermieden wird) könnte auch das flüssige Wasser hinsichtlich einer Wolkenbildung kritisch sein, bspw. weil bei relativ hohen Fluggeschwindigkeiten die Tropfen „zerrissen“ werden können, sodass z. B. „Mikrotropfen“ resultieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest ein Teil des aus dem Reservoir an die Umgebung abgegebenen Wassers zuvor in Gasform gebracht und einem Gaskanal der Antriebseinheit zugeführt. In anderen Worten wird das Wasser der Umgebung nicht unmittelbar in flüssiger Form, sondern mittelbar über den Gaskanal der dann als Wärmekraftmaschine ausgebildeten Antriebseinheit zugeführt, insbesondere den Gaskanal einer axialen Strömungsmaschine. Das Wasser wird dazu zunächst verdampft, wobei die hierfür benötigte Energie z. B. dem Abgas entzogen werden kann, etwa mit einem vom Abgas durchströmten Verdampfer. Damit kann bereits eine gewisse Kühlung des Abgases erreicht werden, was z. B. hinsichtlich der Auskondensation im Wasserabscheider vorteilhaft sein kann.
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Unabhängig davon kann der in den Gaskanal eingebrachte Wasserdampf z. B. wegen der erforderlichen Verdichterarbeit von Vorteil sein, nämlich verglichen mit der gleichen Luftmenge ohne Wasserdampf weniger Arbeit erfordern. In der Brennkammer kann der Wasserdampf bspw. auch Stickoxide im Abgas verringern, weil das Wasser mit seiner vergleichsweise hohen Wärmekapazität dem Entstehen von Temperaturspitzen bei lokal ungleichmäßigen Mischungsverhältnissen vorbeugen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserdampf auch zur Bauteilkühlung genutzt werden, bspw. von Gaskanalwänden oder insbesondere Schaufeln. Dazu kann er bspw. ein Kanalsystem im Inneren des Bauteils, insbesondere einer Schaufel durchströmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Zwischenspeichern des Wassers in Abhängigkeit von während des Fluges erfassten Atmosphäreneigenschaften. Die Atmosphäreneigenschaften können bspw. kontinuierlich oder zumindest in Intervallen erfasst werden. Im Zuge einer Auswertung dieser Daten kann dann bspw. eine Optimierung dahingehend erfolgen, dass einerseits die im Reservoir zwischengespeicherte Wassermenge aus Gewichtsgründen möglichst gering gehalten wird, wobei jedoch andererseits auch soweit möglich eine Wasserabgabe unter kritischen Atmosphäreneigenschaften vermieden wird. Im Allgemeinen ist eine solche dynamische Bewertung jedoch nicht obligatorisch, sondern kann das Zwischenspeichern und Abgeben bspw. auch anhand von Normatmosphärendaten erfolgen (z. B. in Abhängigkeit von einer Höhe etc.).
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können On-Board-Sensoren des Fluggeräts verwendet werden, um zu prüfen, ob das Schmidt-Appleman-Kriterium erfüllt ist und davon die Bildung und/oder den Fortbestand von Kondensstreifen abzuleiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fluggerät zu einer Höhenänderung veranlasst, wenn Wasser in dem Reservoir zwischengespeichert wird bzw. beim Zwischenspeichern ein bestimmter Füllstand überschritten wird. Es kann z. B. vorkommen, dass die Atmosphäreneigenschaften auf einer bestimmten Flughöhe die Wolkenbildung begünstigen, auf einer anderen Flughöhe jedoch unkritisch sind. Das Zwischenspeichern des Wassers kann die Zeit überbrücken, bis diese unkritische Flughöhe erreicht ist. Die „Veranlassung“ zur Höhenänderung kann bspw. über einen Signalgeber erfolgen, etwa über eine Anzeigeeinheit als Information für den Piloten oder auch intern als Eingangssignal für eine teil- oder auch vollautonome Flugführung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Abgeben des zwischengespeicherten Wassers an die Umgebung nach einer Höhenänderung des Fluggeräts veranlasst. Dies kann im Allgemeinen auch eine sich ohnehin ergebende Höhenänderung sein, bevorzugt wurde diese Höhenänderung jedoch zuvor durch ein entsprechendes Signal veranlasst, siehe vorne.
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Wie eingangs diskutiert, weist das erfindungsgemäße Antriebssystem zusätzlich zu der Antriebseinheit und dem Wasserabführer das Reservoir auf, in dem im Betrieb Wasser zwischengespeichert werden kann. Das Reservoir ist dabei mit einem steuerbaren Ablass ausgestattet, der mit einer Steuereinheit angesteuert wird. Der steuerbare Ablass kann eines oder mehrere steuerbare Ventile aufweisen. Über den Ablass kann das zwischengespeicherte Wasser der Umgebung zugeführt werden, direkt in flüssiger Form und/oder mittelbar durch Rezirkulation (in Dampfform über den Gaskanal). Die Steuereinheit, die z. B. als gesonderter Baustein (z. B. Microcontroller oder ASIC) vorgesehen oder in den Bordcomputer integriert sein kann, ist dazu eingerichtet, das Antriebssystem zur Durchführung des vorliegend offenbarten Verfahrens zu veranlassen.
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Durch entsprechende Ansteuerung des Ablasses kann das abgeführte Wasser in dem Reservoir zwischengespeichert (Ablass geschlossen) oder an die Umgebung abgegeben werden (Ablass geöffnet). Zusätzlich kann das Reservoir bspw. auch mit einem steuerbaren Einlass ausgestattet sein, über den das abgeführte Wasser in das Reservoir gelangt, wenn zwischengespeichert werden soll, alternativ aber bspw. auch am Reservoir vorbei geführt werden kann (optionaler Bypass, wenn keine Zwischenspeicherung erforderlich). Unabhängig von diesen Details kann die Steuereinheit bspw. auch Teil eines Regelkreises sein, wobei z. B. der Füllstand des Reservoirs als Regelgröße eingehen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Flugantriebssystem eine Sensorik zur Messung eines Luftparameters auf, nämlich einer Temperatur, eines Druckes und/oder einer Wasserbeladung der Luft. Die Temperatur kann statisch und/oder als Totaltemperatur erfasst werden, ebenso kann ein statischer und/oder dynamischer Druck gemessen werden. Die Auswertung der erfassten Daten kann mit einer gesonderten Auswerteeinheit erfolgen, sie kann aber andererseits auch funktional in die Steuereinheit integriert sein. Ist der erfasste Luftparameter hinsichtlich einer Wolkenbildung kritisch (z. B. hohe Wasserbeladung, geringer Druck etc.), ist also bspw. die Eissättigung erreicht, kann die Steuereinheit das Zwischenspeichern veranlassen, optional in Verbindung mit einer Veranlassung zur Höhenänderung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Flugantriebssystem eine Sensorik zur optischen Erfassung von Wolken auf. Dies kann bspw. eine nach hinten gerichtete Kamera sein, um eine Kondensation hinter dem Fluggerät zu erkennen. Die optische Erfassung von Wolken ermöglicht eine Analyse des Istzustandes, etwa zur Kontrolle der Luftparameter-basierten Steuerung oder auch als Alternative dazu. Die daraus gewonnene Information kann jedenfalls als Eingabe für die Steuereinheit dienen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die bereits diskutierte „Veranlassung zur Höhenänderung“, wozu das Antriebssystem einen Signalgeber aufweist. Wird bspw. aufgrund kritischer Atmosphäreneigenschaften in dem Reservoir Wasser zwischengespeichert, steigt also der Wasserstand an oder überschreitet er eine gewisse Schwelle, kann über den Signalgeber eine Änderung der Flughöhe initialisiert werden. Dies kann, wie vorstehend geschildert, über eine externe Schnittstelle oder bei einer Integration in den Bordcomputer auch als rechnerinterner Vorgang ablaufen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Reservoir ein Volumen solcher Größe, dass darin über mindestens 2 Minuten, vorzugsweise mindestens 5 Minuten, das abgeführte Wasser aufgenommen und zwischengespeichert werden kann. Dies kann sich bspw. auf die von der Antriebseinheit unter Cruise-Bedingung abgeführte Wassermenge beziehen. Das Volumen ist also bevorzugt derart bemessen, dass kritische Atmosphärenschichten durch Zwischenspeichern „überbrückt“, also durchflogen und/oder mit einer Höhenanpassung „umgangen“ werden können. Die Einholung dafür notwendiger Flugsicherungsfreigaben kann bspw. einige Minuten in Anspruch nehmen, und kritische Schichten können mitunter auch vergleichsweise dünn sein, bspw. nur eine Dicke von wenigen Hundert Metern haben. Mögliche Obergrenzen des Volumens bzw. der Speicherdauer, für welche dieses ausgelegt ist, können bspw. bei einer Stunde, einer halben Stunde oder auch nur einer Viertelstunde liegen.
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In absoluten Werten kann das Reservoir bspw. ein Volumen von mindestens 200 1 haben, weiter und besonders bevorzugt mindestens 300 1 oder 500 1. Mögliche Obergrenzen, die von den Untergrenzen unabhängig offenbart sein sollen, können bspw. bei höchstens 6000 l, 3000 l oder 1500 l liegen. Auch unabhängig vom absoluten Wert im Einzelnen kann ein Vorteil des zumindest anteiligen Ablassens noch während des Flugs in der Limitierung der notwendigen Reservoirgröße liegen, ist also auch der Tank an sich verglichen mit einer Speicherung über die gesamte Flugdauer deutlich kompakter und leichter.
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Wie bereits erwähnt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Antriebseinheit eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine axiale Strömungsmaschine, und ist der Wasserabführer ein Wasserabscheider, der das Wasser aus ihrem Abgas abführt. Dazu kann ferner eine Abgasbehandlungsvorrichtung vorgesehen sein, in deren Abgaskanal das wasserdampfhaltige Abgas abgekühlt wird. Mit dem Abkühlen kann zumindest eine teilweise Auskondensation des im Abgas enthaltenen Wassers erreicht werden, das bei der Verbrennung fossiler Kraftstoffe gemeinsam mit weiteren Produkten (CO2, etc.) resultieren bzw. zuvor auch gezielt in Dampfform in die Brennkammer eingebracht worden sein kann. Die Abgasbehandlungsvorrichtung kann ferner einen Tropfenabscheider aufweisen, der das durch Abkühlung im Abgaskanal auskondensierte Wasser dann bspw. fliehkraft- oder trägheitsbasiert abscheidet, etwa als Zyklon- bzw. Drallabscheider oder durch schroffe Umlenkung etc.
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Im Einzelnen kann die Wärmekraftmaschine insbesondere ein Mantelstromtriebwerk, im Allgemeinen aber bspw. auch ein Turbojet- oder Turboproptriebwerk sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kommt das Flugantriebssystem in einem Fluggerät zum Einsatz, das bemannt oder im Allgemeinen auch unbemannt sein kann.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Flugantriebssystems in einer vorliegend geschilderten Weise.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Flugantriebssystem in schematischer Darstellung;
- 2 ein Fluggerät in schematischer Darstellung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Flugantriebssystem 1, welches eine Antriebseinheit 2, einen der Antriebseinheit 2 nachgeschalteten Wasserabführer 20 und ein Reservoir 24 aufweist. Die Antriebseinheit 2 ist als schematisch angedeutetes Flugtriebwerk zu erkennen, sie weist in diesem Beispiel einen Niederdruckverdichter 2.1a mit Fan, einen Hochdruckverdichter 2.1b, eine Brennkammer 2.2, eine Hochdruckturbine 2.3b und eine Niederdruckturbine 2.3a auf. Es handelt sich um ein sogenanntes Mantelstromtriebwerk. Von der Niederdruckturbine 2.3a gelangt im Betrieb ein Abgas 3 in einen Abgaskanal 4 des Wasserabführers 20, der vorliegend als Wasserabscheider ausgelegt ist.
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Dort wird das in dem Abgas 3 enthaltene Wasser 17 zumindest anteilig auskondensiert und abgeführt. Ohne diese Auskondensation könnte das im Abgas 3 enthaltene Wasser in Abhängigkeit von den Atmosphäreneigenschaften bspw. zu Kondensstreifen führen (Cirruswolken). Dieser z. B. hinsichtlich des Treibhauseffekts nachteiligen Wolkenbildung kann mit der Auskondensation vorgebeugt werden. Würde das auskondensierte Wasser 17 jedoch über die gesamte Flugdauer gespeichert werden, würde dies ein erhebliches Zusatzgewicht ergeben, was z. B. hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs nachteilig wäre. Deshalb ist erfindungsgemäß zwar ein Reservoir 24 vorgesehen, wird das abgeführte Wasser 17 in diesem aber nur zwischengespeichert.
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Das Reservoir 24 ist mit einem steuerbaren Ablass 30 ausgestattet, der ein erstes und ein zweites steuerbares Ventil 70, 71 umfasst. Über den steuerbaren Ablass 30 kann das zwischengespeicherte Wasser noch während des Fluges, also noch in der Luft, an die Umgebung 29 abgegeben werden, wenn die Atmosphäreneigenschaften hinsichtlich einer Wolkenbildung weniger kritisch sind. Dabei kann das zwischengespeicherte Wasser über das steuerbare Ventil 71 entweder unmittelbar, also in flüssiger Form in die Umgebung 29 abgelassen werden, oder es kann über das steuerbare Ventil 70 rezirkuliert werden. In diesem Fall wird es einem Verdampfer 35 zugeführt, dort in Dampfform gebracht und dann wieder dem Triebwerk 2 zugeführt, also dessen Gaskanal 5, vorzugsweise der Brennkammer 2.2 (vergleiche die Beschreibungseinleitung im Detail).
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Schematisch sind ferner eine Sensorik 64 zur Messung eines Luftparameters 65, eine Sensorik 63 zur optischen Erfassung von Wolken 68 und eine Steuereinheit 60 dargestellt. Der Luftparameter 65 kann bspw. eine Temperatur, einen Druck und eine Wasserbeladung der Luft umfassen, daraus können die Atmosphäreneigenschaften bestimmt werden. Die Sensorik 63 zur optischen Erfassung von Wolken 68 kann eine Kamera umfassen, mit der die Wolkenbildung hinter dem Fluggerät bestimmt werden kann.
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Mit der Steuereinheit 60 werden die Ventile 70, 71 anhand des Luftparameters 65 der Sensorik 64 und der optischen Erfassung der Sensorik 63 angesteuert. Da der Ablass 30 zwei Ventile 70, 71 umfasst, kann sowohl die unmittelbar in die Umgebung abgelassene als auch die dem Gaskanal 5 zugeführte Wassermenge gesteuert werden. Ferner kann die Steuereinheit 60 über einen Signalgeber 61 ein Signal 67 ausgeben, welches das Fluggerät zu einer Höhenänderung veranlasst, wenn das Reservoir 24 in einer hinsichtlich der Wolkenbildung kritischen Atmosphärenschicht gefüllt wird.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Fluggerät 40 mit zwei Antriebseinheiten 2. Die Sensorik 63 zur optischen Erfassung der Wolken 68 kann bspw. in einem Heckteil 47 des Rumpfes 46 angeordnet sein. Die Sensorik 64 zur Messung des Luftparameters 65 kann bspw. am Rumpf 46 bzw. auch an der Antriebseinheit 2, etwa im Einlauf vor dem Fan 2.1a, im Nebenstromkanal 50 oder an der Triebwerksgondel 51 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugantriebssystem
- 2
- Antriebseinheit
- 2.1a
- Fan und Niederdruckverdichter
- 2.1b
- Hochdruckverdichter
- 2.2
- Brennkammer
- 2.3b
- Hochdruckturbine
- 2.3a
- Niederdruckturbine
- 5
- Gaskanal (der Antriebseinheit)
- 3
- Abgas
- 4
- Abgaskanal (des Wasserabführers)
- 17
- Wasser
- 20
- Wasserabführer
- 29
- Umgebung
- 30
- Ablass
- 35
- Verdampfer
- 40
- Fluggerät
- 46
- Rumpf eines Fluggeräts
- 47
- Heckteil des Rumpfes eines Fluggeräts
- 50
- Nebenstromkanal
- 51
- Triebwerksgondel
- 60
- Steuereinheit
- 61
- Signalgeber
- 63
- Sensorik zur optischen Erfassung von Wolken
- 64
- Sensorik zur Messung von Luftparametern
- 65
- Luftparameter
- 67
- Signal vom Signalgeber
- 68
- Wolken
- 70
- Ventil (Rezirkulation in den Gaskanal)
- 71
- Ventil (unmittelbares Ablassen in die Umgebung)
