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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Anordnung zur Gewinnung von Ballast für Luftfahrzeuge leichter als
Luft.
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Beim Betrieb eines Luftschiffes mit
einer Füllung
aus Traggas resultiert aus dem während
der Fahrt verbrauchten Kraftstoff eine kontinuierliche Abnahme des
vom Traggas zu balancierenden oder zu tragenden Gewichtes. Bei Luftschiffen
mit Wasserstoff als Traggas wurde im Stand der Technik der Gewichtsverlust
durch Ablassen von Traggas und damit entsprechend reduzierte Tragfähigkeit
ausgeglichen. Bei modernen Luftschiffen mit Heliumfüllung ist
diese Methode aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr möglich. An
Bord des Luftschiffes muss während
der Fahrt Masse in Form von Ballast gewonnen/zurück gewonnen werden.
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Aus der Druckschrift
DE-PS 465 461 sind ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Gewinnung von Ballast aus den Auspuffgasen
der Motoren der Luftschiffe bekannt. Die Gase werden zu ihrer Abkühlung durch
hohle Blätter
der zum Betrieb des Luftschiffes verwandten Propeller geführt. Das
sich im Propeller niederschlagende Wasser wird durch entsprechend ausgebildete
und um den Propeller angeordnete Vorrichtungen aufgefangen.
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Die US-amerikanischen Luftschiffe "Akron" und "Macon" waren mit luftgekühlten Ballastwassergewinnungsanlagen
ausgestattet. Die verwendeten Wärmetauscher
vergrößerten den
Luftwiderstand wesentlich und erforderten eine sehr aufwendige Reinigung
und Wartung.
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In der VDI-Zeitschrift Bd. 83, Nr.
15, (1939) ist die Ballastwassergewinnung im Luftschiff LZ 130 beschrieben.
Die Abgase der dort eingesetzten Kolbenmotoren durchfließen dabei
einen dreistufigen Kühler.
In der ersten Stufe wird das heiße Abgas mittels umströmender Umgebungsluft
von 500° C
auf ca. 400°C
gekühlt.
In einem Wasserkühler
der zweiten Stufe wird eine Abgastemperatur von 50°C erreicht.
In einem abschließenden
luftgekühlten
Wärmetauscher
wird das Abgas auf etwa 5°C über Umgebungstemperatur
abgekühlt.
Bei Kolbenmotoren konnte mit einer solchen Anlage unter bestimmten Bedingungen
eine Gewichtskompensation des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
Diese Anlagen waren groß und
schwer und verursachten je nach Kühlerauslegung einen erheblichen
zusätzlichen
Luftwiderstand oder einen Verlust an Effizienz der Antriebe des
Luftschiffes.
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Die Übertragung dieser Technik auf
moderne Dieselmotoren oder Wellenleistungsgasturbinen ist nur mit
großem
Zusatzaufwand möglich
und führt
zu inakzeptablen technischen Lösungen.
Gasturbinen werden bei wesentlich höherem Luftüberschuss betrieben. Damit
sinkt auch der "Taupunkt" der Abgase. Das
bedeutet einen höheren
Kühlaufwand
für einen größeren Massendurchsatz.
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Allgemein im Stand der Technik bekannt
ist, Elektrofilter als elektrische Gasreinigungsanlage einzusetzen.
Bei Anlagen zur elektrostatischen Entstaubung von Abgasen mit Hilfe
von Gleichstrom passieren bei hoher Spannung mit Staub beladene
Abgase ein elektrisches Feld. Die Staubteilchen werden aufgeladen
und abschließend
an Metalldrähten
oder Blechen abgeschieden.
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Aus der Druckschrift
DE-AS 1 466 075 ist außerdem eine
Anordnung zur Vermeidung statischer Aufladungen bei Flugzeugen bekannt.
Diese Anordnung wird für
niedrig fliegende Flugzeuge angewandt, aus denen ein Sprühnebel eines
gegen Erdpotential elektrisch geladenen Behandlungsmittels auf die
darunter liegende Vegetation abgegeben wird. Die elektrische Aufladung
der Behandlungssubstanz setzt ein hohes elektrostatisches Feld zwischen
dem Abgabepunkt des Behandlungsmaterials und den auf Erdpotential
liegenden zu behandelnden Pflanzen voraus, damit eine große Gleichmäßigkeit der
Verteilung der Behandlungssubstanz bewirkt wird. Das wird dadurch
erreicht, dass zwischen der Entladungselektrode und dem Flugzeugkörper ein regelbarer
Hochspannungsgenerator liegt, dessen Spannung so geregelt wird,
dass die elektrische Feldstärke
der der unmittelbar das Flugzeug umgebenden Atmosphäre entspricht.
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Von daher liegt der Erfindung das
Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Anordnung
zur Gewinnung von Ballast für
Luftfahrzeuge leichter als Luft vorzuschlagen.
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Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Ansprüche
1, 8 und 9. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch
gelöst,
dass das Verfahren zur Gewinnung von Ballast für Luftfahrzeuge leichter als
Luft durch Abscheidung von Partikeln aus der Luft bzw, Umgebungsatmosphäre an Körperoberflächen so
ausgeführt
wird, dass die Partikel zur Gewinnung von Ballast und/oder der Reinigung
der Luft durch Erzeugung eines elektrischen Feldes als eine dünne Schicht
an der Oberfläche
oder in leichter als Luft (LTA)-Luftfahrzeugen, insbesondere Luftschiffen,
abgeschieden werden.
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Zusätzlich kann die elektrische
Aufladung der Hülle
durch die Bewegung des LTA-Luftfahrzeugs zur Abscheidung von Partikeln
ausgenutzt werden.
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Das Verfahren wird durch einige weitere
Methoden mit synergistischem Effekt weiterentwickelt gemäß den Ansprüchen 3 bis
8.
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Verschiedene Anordnungen, insbesondere zur
Realisierung des Verfahrens, sind möglich. In einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Hülle
eines LTA-Luftfahrzeugs etwa in der Mitte in Längsrichtung durch eine elektrische
Isolierung in eine obere und eine untere Hüllenhälfte geteilt, die mit einem
geregelten Hochspannungsgenerator in Verbindung stehen.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind
auf dem Hüllenmaterial
eine Vielzahl dünner
Matten aus leitfähigem
Material angeordnet und in der jeweiligen Hüllenhälfte miteinander und einem
Pol des Hochspannungsgenerators verbunden, wobei die kapazitiven Matten
in einer verteilten Matrix angeordnet. Es ist zweckmäßig, dass
die Matten in den Schichtenaufbau des Hüllenmaterials eingebunden sind.
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Es ist zum Erhalt unterschiedlicher
Funktionen eines Luftschiffes notwendig, dass wichtige Funktionsteile
des LTA-Luftfahrzeugs nicht in das elektrostatische Feld einbezogen
sondern frei gehalten werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung werden
zum Erzeugen der erforderlichen elektrostatischen Kräfte durch
Reibung geeignete Beschichtungen auf das Hüllenmaterial aufgetragen. Es
ist zweckmäßig, dass am
LTA-Luftfahrzeug Auffangeinrichtungen für Regenwasser angeordnet sind,
deren Zweck später
erörtert
wird.
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In weiterer Ausgestaltung wird der
Hochspannungsgenerator aus dem vorhandenen Bordnetz-Stromerzeugungssystem
gespeist. Der Hochspannungsgenerator soll eine Umkehr der elektrischen
Ladung ermöglichen.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind
an verschiedenen Punkten am LTA-Luftfahrzeug
Messfühler
für die
vorhandene Feldstärke
angeordnet.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung
führt in
Längsrichtung
ein axialer Luftkanal durch das LTA-Luftfahrzeug, um den sich im
hinteren Bereich ein Koaxial-Kondensator erstreckt. An dessen oberer
Platte ist ein Hochspannungsgenerator angeschlossen und unter dessen
unterer Platte eine Auffangfläche
mit Sammelbehälter
angeordnet.
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Es kann zweckmäßig sein, dass die Bewegung
des Luftstromes im Luftkanal durch ein Gebläse beschleunigt wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt in periodischen Zeitabständen eine
Ladungsumkehr am Koaxial-Kondensator und damit ein Abfallen der
Makroteilchen in die Auffangfläche,
wobei in periodischen Zeitabständen
eine Förderung
der abgesetzten Makroteilchen der Auffangfläche in einen Sammelbehälter erfolgen
kann.
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Nach einer dritten ergänzenden
Anordnung sind zur Erzeugung eines ionisierten Gasstromes innerhalb
der Hülle
des LTA-Luftfahrzeugs etwa in seiner Mitte Ionisationskammern in
Form von Hochspannungs-Entladevorrichtungen
angeordnet, denen eine Zirkulationseinrichtung zur Erzeugung von
Zirkulationsströmungen
des Gases entlang der Innenwandung der Hülle vorgeordnet ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung zirkuliert
das ionisierte Gas innerhalb der Hülle des LTA-Luftfahrzeugs durch
ein System elektrisch angetriebener Gebläse und/oder Konvektionsströme. Eine
Aufheizung des Traggases zur Auftriebserhöhung die Konvektionsströme erzeugt
zusätzlichen
Nutzen.
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In weiterer Ausgestaltung soll das
Hüllenmaterial
eine Akkumulation und Verteilung der durch Zirkulation des ionisierten
Gases erzeugten elektrischen Ladung auf der Hülleninnenseite auf die Außenseite
ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist die
Ladungsverteilung auf der Hüllenoberfläche durch
Veränderung
der Richtung und Geschwindigkeit der Zirkulation des ionisierten
Gases sowie dessen Volumen einstellbar.
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Es ist notwendig, dass die Hochspannungs-Entladevorrichtungen
gegen die elektro-magnetischen Felder durch einen Faradayschen Käfig abgeschirmt
werden und wichtige Funktionsteile des LTA-Luftfahrzeugs nicht in
das elektrostatische Feld einbezogen sind. Auch hier ist es zweckmäßig, dass am
LTA-Luftfahrzeug zusätzlich
Auffangeinrichtungen für
Regenwasser angeordnet sind. Bei allen Anordnungen kann der Fachmann
nach der Lehre der Erfindung einen Ausgleich der Schwerpunktverschiebung
durch die Masse der abgeschiedenen Makroteilchen mittels interner
Trimmeinrichtung des LTA-Luftfahrzeugs
ausbalancieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend an
Ausführungsbeispielen
näher erläutert unter
Einbeziehung einer Zeichnung mit Prinzipdarstellungen möglicher Ausführungsformen
der Erfindung:
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Es zeigen:
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1:
eine erste Ausführungsform
der Erfindung;
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2:
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung;
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3:
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung.
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Als Basisannahme für die Erfindung
wird davon ausgegangen:
- – eine Luftschiff-Hülle hat
eine Oberfläche
von etwa 42.000 m2;
- – ein
großes
Lasten-Luftschiff verbraucht für
eine Langstreckenmission etwa 40 t Treibstoff.
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Der Masseverlust durch den Treibstoffverbrauch
muss durch eine Ballastaufnahme ausgeglichen werden. Durch Induzieren
einer elektrostatischen Ladung auf der Hüllenoberfläche ist es möglich, eine
Schicht aus Teilchen zu erlangen, die aus den Schmutzstoffen in
der Außenluft
abgezogen werden. Geht man von einer durchschnittlichen Makroteilchendichte
von 1000 kg/m3 aus, muss auf der Oberfläche eine
Schicht von 1 mm aufgebaut werden, um den notwendigen Ballast zu
erreichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abscheidung
von Partikeln aus der Luft an Körperoberflächen wird
so ausgeführt,
dass die Abscheidung von Partikeln zur Gewinnung von Ballast und/oder der
Reinigung der Luft durch Erzeugung eines elektrischen Feldes als
eine dünne
Schicht an der Oberfläche
oder innerhalb leichter als Luft (LTA)-Luftfahrzeugen, insbesondere
Luftschiffen, erfolgt.
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Zusätzlich kann die elektrische
Aufladung der Hülle
durch die Bewegung des LTA-Luftfahrzeugs zur Abscheidung von Partikeln
ausgenutzt werden.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind mehrere Prinzipanordnungen und deren Kombination möglich, um
eine verbesserte und flexiblere Lösung zu erzielen. Das sind
Anordnungen nach folgenden Prinzipien:
- – Nutzung
des Luftschiff-Stromerzeugungssystems zum Aufbau einer Ladung über eine
Matrix aus kapazitiven Matten auf oder in der Hülle. (1)
- – Nutzung
der elektrostatischen Kräfte
durch Reibungseffekte infolge der Bewegung des Luftschiffes durch
die Luft mit geeigneten Beschichtungen oder Hüllenmaterialien. (in Kombination
mit anderen Lösungen)
- – Abscheidung
von Makroteilchen, die durch einen axialen Kanal in das Innere des
Luftschiffes gelangen. (2)
- – Zirkulation
eines ionisierten Gases innerhalb der Heliumfüllung zur Unterstützung des
elektrostatischen Effektes an der Hüllenoberfläche. (3)
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An Bord eines Luftschiffes L ist
eine Elektroenergieanlage vorhanden, die sowohl ein Drehstrom- als
auch ein Gleichspannungsnetz versorgt. Zur Erzeugung der nach 1 erforderlichen elektrostatischen
Felder ist eine Spannung von etwa 10 kV erforderlich, um die Anfangshaftung
der ersten Makroteilchenschicht zu gewährleisten. Trotz der hohen Spannung
ist der Leistungsbedarf zur Erzeugung des Feldes gegenüber dem
gesamten Elektroenergiebedarf sehr gering. Die Hochspannung ist
auch nicht ständig
erforderlich.
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Zur Erzeugung der Hochspannung können allgemein
bekannte Anordnungen, z.B. eine Spannungsvervielfacherelektronik,
verwendet werden.
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Nach 1 wird
die Hülle
des Luftschiffes L durch eine elektrische Isolierung 1 in eine obere
O und eine untere Hüllenhälfte U längs geteilt.
An die in einer Matrixanordnung auf der Oberfläche der Luftschiffhülle oder
am zweckmäßigsten
im Hüllengewebeaufbau
eingebetteten leitfähigen
Maschengitter jeder Hälfte
O; U wird ein Pol des Hochspannungsgenerators angelegt. Damit erfolgt
die Verteilung der Ladungen weitgehend auf die gleiche Art und Weise wie
in einem Flächenkondensator.
Die Steuerung der Dicke der Makroteilchenschicht erfolgt durch Regelung
der Höhe
der Spannung und der Verweilzeit des erzeugten elektrostatischen
Feldes. Da die induzierten elektrostatischen Ladungen in der Hülle nach dem
Aufbau der ersten Schichten durch die Bewegung des Luftschiffes
L eine weitere Anziehung von Makroteilchen bewirken, kann die Hochspannung
abgeschaltet werden. Eine Ladungsumkehr durch Umschalten der Pole
des Hochspannungsgenerators G ist erforderlich, um den Aufbau der
Makroteilchenschicht zu steuern und am Ende der Mission des Luftschiffes
L abwerfen zu können.
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Die bei Langstreckenmissionen von
Luftschiffen erforderliche Blitzschutzanlage wird durch die vorgeschlagene
Anordnung nicht negativ beeinflusst. Unter Wolkenbedingungen erfolgt
durch die Bewegung des Luftschiffes und den Hüllenaufbau eine statische Aufladung,
die aber durch die Erfindung in die Regelung der Feldstärke einbezogen wird.
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Extreme Witterungsbedingungen, wie
heftiger Regen und Sturm erfordern Maßnahmen, die einen Masseverlust
durch teilweises Ablösen
der angesammelten Makroteilchenschicht ausgleichen können. So
ist es zweckmäßig, an
der Luftschiffhülle
Vorrichtungen zur Aufnahme von Regenwasser vorzusehen.
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In der 2 ist
eine Anordnung zur Abscheidung der Makroteilchen im Inneren des
Luftschiffes L dargestellt. Der die Makroteilchen enthaltene Luftstrom
tritt in einen axialen Luftkanal LK ein, der vom Bug zum Heck des
Luftschiffes L verläuft.
Die Geschwindigkeit des Luftstromes kann durch Gebläse im Luftkanal
LK erhöht
werden. Eine um den Luftkanal LK herum angeordnete Ladeeinrichtung
in der Ausführung
als Koaxial-Kondensator K, die sich über eine sich aus der erforderlichen
Fläche
ergebenden Entfernung entlang des Luftkanals LK erstreckt, dient zum
Anziehen der Makroteilchen durch eine von einem Hochspannungsgenerator
G induzierten elektrostatischen Ladung. Durch Anlegen einer Umkehrladung
an diesen Koaxial-Kondensator K werden die Makroteilchen in periodischen
Abständen
von den aufgeladenen Oberflächen
in eine darunter befindliche Auffangfläche A abgegeben. Diese Auffangfläche A kann
in der Art einer schiefen Ebene ausgeführt sein. Von dieser Auffangfläche A wird
die angesammelte Masse von Makroteilchen in periodischen Abständen in
einen Sammelbehälter
abgeführt,
z.B. durch ein Förderband.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die angesammelten
Makroteilchen tatsächlich
innerhalb des Luftschiffes L vorliegen. Damit wird das Problem eines
möglichen
Verlustes durch starken Regen oder Wind vermieden.
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Die in der 3 dargestellte Anordnung dient der Erzeugung
und Zirkulation von ionisierten Gasen im Luftschiff. Der Einsatz
von Hochspannungs-Entladevorrichtungen
als Ionisationskammern IK, die etwa in der Mitte des Luftschiffes
L angeordnet sind, erleichtert die Erzeugung eines ionisierten Gasstromes.
Vor der Ionisationskammer IK ist eine Zirkulationseinrichtung Z
angeordnet, durch die und einem System weiterer Gebläse und/oder
Konvektionsströme
zirkuliert das ionisierte Gas innerhalb der Hülle. Die Konvektionsströme entstehen
beim Wärmeaustausch
mit der Heliumfüllung.
Das ionisierte Gas wird so zirkuliert, dass es das Aufbringen einer
Ladung auf der Innenfläche
der Hülle
gewährleistet.
An die Materialeigenschaften der Hülle werden bestimmte Anforderungen
gestellt. Das Material muss statische Ladungen leicht akkumulieren
und verteilen, so dass die Bildung einer Makroteilchenschicht auf
der Hüllen-Außenfläche ermöglicht wird.
Die Richtung und Geschwindigkeit der Zirkulation des ionisierten
Gases bestimmen zusammen mit seinem Volumen die Ladungsverteilung
an der Hülle.
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Um die Hochspannungs-Entladevorrichtungen
herum müssen
besondere Vorkehrungen in der Form eines Faradayschen Käfigs getroffen
werden, um die Luftschiff-Systeme gegen die Auswirkungen elektromagnetischer
Felder abzuschirmen.
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Bei der Auswahl des zu ionisierenden
Gases hatten die Erfinder eine Reihe von wichtigen Eigenschaften
zu berücksichtigen,
die entscheidend für eine
gute Ladungsverteilung sind.
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Um die Auswirkung auf die Tragfähigkeit
des Heliums zu minimieren, muss die Dichte niedrig sein. Da das
ionisierte Gas versucht, sich wieder mit den abgelösten Elektronen
zu verbinden, muss dessen Rekombinationsneigung gering sein. Um
den Energiebedarf zum Betreiben der Entladevorrichtung gering zu
halten, muss das Gas eine niedrige Ionisationsenergie erfordern.
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Die Zirkulation des ionisierten Gases
soll eine sich bewegende Schicht hervorrufen, die in Kontakt mit
der Hüllen-Innenfläche steht.
Zusätzlich
zur elektrostatischen Aufladung der Hülle wirken die Ionen des dichteren
Gases als Trennschicht, die die Wanderung der Heliumatome einschränkt. Das
wirkt sich positiv auf die Betriebskosten aus.
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Bei der praktischen Auslegung der
vorgeschlagenen Anordnungen sind außerdem verschiedene Gegebenheiten
zu berücksichtigen:
Zur
Steuerung/Regelung des Systembetriebs sind eine Erfassung der Spannungsunterschiede und/oder
eine Ladungsmessung erforderlich.
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Der Luftstrom über bestimmten Bereichen der
Hülle kann
den Aufbau einer Makroteilchenschicht verhindern. Das kann sich
aus hohen Oberflächengeschwindigkeiten
ergeben, die lokale Kräfte hervorrufen,
die stärker
sind als die elektrostatischen Kräfte.
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Der Aufbau der Teilchenschicht in
bestimmten Bereichen der Hülle
kann zu negativen Auswirkungen auf den Luftschiffbetrieb führen, wie
z.B. die Flug-Steuerflächen.
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Eine Ablagerung in solchen Bereichen
wird durch entsprechende Konstruktion verhindert. Beim Anlegen eines
Luftschiffes am Mast wird vorausgesetzt, dass vor Herstellung der
Verbindung zum Mast die Entladung bereits abgeschlossen ist. Das
gleiche gilt für
die Handhabung des Luftschiffes. Da die Hülle dann, um die Makroteilchenschicht
aufbauen zu können,
zur Aufnahme einer höheren
Ladung ausgelegt ist, sind diese Handhabungsverfahren entsprechend anzupassen.
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Beim Flug durch starken Regen besteht
die Gefahr, dass die anhaftenden Teilchen teilweise oder vollständig „abgewaschen" werden. Die Masseakkumulation
wird daher durch ein Regenwasser-Erfassungssystem ergänzt.
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Die Erfindung kann durch eine weitere
Anpassung der statischen Hüllenaufladung
auch dazu genutzt werden, die Gefahr von Blitzeinschlägen zu verringern.
Durch eine Reduktion des Potentialunterschiedes zwischen dem Luftschiff
und der Umgebung kann die Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen verringert
werden. Die dazu benötigten
Spannungen sind aber größer als
die zur Massegewinnung erforderlichen Werte.
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Die Erfindung ist besonders zur Ballastgewinnung
als Masseausgleich zum Treibstoffverbrauch bei Luftfahrzeugen leichter
als Luft geeignet. Der Energieverbrauch ist gering. Es werden keine
die Umwelt belastenden Stoffe eingesetzt und es entstehen auch keine
solchen Stoffe.
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Da ein Luftschiff mit der erfindungsgemäßen Lösung auch
Schmutz- und Schadstoffe aus der Luft einsammelt, kann dies auch
zur Luftreinigung über Gebieten
mit die Umwelt belastenden Partikeln in der Umgebung eingesetzt
werden.
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- I
- elektrische
Isolierung
- G
- Hochspannungsgenerator
- O
- obere
Hüllenhälfte
- U
- untere
Hüllenhälfte
- L
- Luftschiff
- LK
- axialer
Luftkanal
- K
- Koaxial-Kondensator
- A
- Auffangfläche
- IK
- Oonisationskammer
- Z
- Zirkulationseinrichtung