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Die
Erfindung betrifft ein Bodeneffektfahrzeug mit einem Rumpf und diesem
seitlich zugeordneten Tragflächen.
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Bis
heute gibt es zwei Verkehrsmittel für den interkontinentalen Transport,
das Schiff und das Flugzeug. Per Schiff können große Frachtmengen relativ billig über sehr
große
Entfernungen transportiert werden, Schiffe sind aber sehr langsam
und an Küsten
und/oder ins Landesinnere führende
ausreichend tiefe Wasserstraßen
gebunden. Flugzeuge dagegen sind zwar sehr schnell und können von
Wasserstraßen
unabhängig
auch ins Landesinnere vordringen, Lufttransport ist aber relativ
teuer und es können
nur vergleichsweise geringe Frachtmengen befördert werden.
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Ferner
existiert ein alternatives Verkehrsmittel, welches die Kombination
zwischen Preis und Geschwindigkeit im Transport der Fracht idealisiert,
der sog. Ekranoplan. Hierbei handelt es sich quasi um ein relativ
großes
Fluggerät,
das allerdings nicht fliegt, sondern sich auf einem Luftkissen über ebenen Untergrund,
beispielsweise eine Wasseroberfläche, bewegen
kann. Es nutzt dabei den aerodynamischen Bodeneffekt aus. Ein solches
Fahrzeug ist schnell und wirtschaftlich.
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Ein
Luftkissen ist quasi ein leicht gängiges Rad. Das Fahrzeug schwebt
auf dem Luftkissen und benötigt
zum Vortrieb im Vergleich zu einem mit Bodenreibung behafteten Fahrzeug
nur eine relativ geringe Vortriebsenergie. Bei einem sog. Hovercraft zum
Beispiel wird durch ein Gebläse
ein Luftkissen erzeugt, auf dem das Fahrzeug schwebt und zum Vortrieb
dienen Luftschrauben. Mit einem solchen Fahrzeug ist ein schneller
und sicherer Fährbetrieb über Wasser
bis zu einem mittleren Wellengang und in Grenzfällen auch über Land möglich.
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Anstatt
mit einem Gebläse
lässt sich
ein Luftkissen auch durch einen aerodynamischen Bodeneffekt erzeugen.
Das Luftkissen wird dabei durch den sog. Bodeneffekt ersetzt. Anders
als beim Hovercraft entsteht bei einem solchen Bodeneffektfahrzeug
das Luftkissen durch die Relativbewegung einer Tragfläche in geringer
Höhe über eine
möglichst
ebene Oberfläche.
Durch die Stauluft bei einer Relativbewegung wird eine Art Luftkissen
aufgebaut, das als Bodeneffekt bezeichnet wird. Dabei verstärkt sich
der Auftrieb und der induzierte Widerstand verringert sich dramatisch.
Der Bodeneffekt beginnt bei einer Flughöhe, die etwa die halbe Spannweite
der Tragfläche unterschreitet.
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Das
Phänomen
des Bodeneffekts ist seit den Anfängen der Fliegerei bekannt,
wo beobachtet wurde, dass sich die aerodynamischen Verhältnisse
in Bodennähe
dramatisch verändern.
Der Auftrieb wird vergrößert, der
Auftriebsschwerpunkt wandert nach hinten aus und der Widerstand
wird kleiner. Daraus resultiert eine Verbesserung der Gleitzahl
bei einer Steigerung der Flugleistungen. Bereits Anfang der dreißiger Jahre
wurde begonnen, diesen Bodeneffekt auf Transatlantikflügen auszunutzen.
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Nachteilig
ist, dass der Bodeneffekt nur in sehr geringen Flughöhen auftritt,
nämlich
in Höhen, die
kleiner als die Hälfte
der Flügelspannweite
sind. Deshalb sind relativ große
Spannweiten notwenig, um Hindernisse, beispielsweise Wellen, problemlos überwinden
zu können.
Zudem erfordert der Übergang
zum Bodeneffektflug eine sehr hohe Überwindungsenergie.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tragfläche für ein Bodeneffektfahrzeug der
eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der bei geringer Spannweite
ein ausreichend großer
und sicherer Bodeneffekt erzielt werden kann, der es dem Fahrzeug
erlaubt, bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten im Bodeneffekt
zu agieren.
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Gelöst wird
diese Aufgabe dadurch, dass die Schwenkklappen an ihren der Schwenkachse
gegenüberliegenden
freien Enden eine Mehrzahl von Teilklappen aufweisen, die einstückig mit
den freien Enden der Schwenkklappen verbunden sind. Bei einer anderen
Ausführung
ist es vorgesehen, dass die Tragflächenhinterkante und Tragflächenseitenkante der
Tragfläche
parabelförmig
ausgebildet und mit einer Mehrzahl von festen, ein- und ausschwenkbaren Teilklappen
versehen sind.
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Durch
diese Maßnahmen
wird eine Tragfläche
geschaffen, die bei geschlossenen Klappen einen hohen Auftrieb der
Tragflächen
bietet. Die Klappen erzeugen im hinteren Bereich eine Druckzone, die
den Auftrieb verstärkt.
Die stehende Luft wird von den Tragflächen erfasst und nach unten
beschleunigt. Sie kann aber wegen der Bodennähe nicht entweichen und wird
durch Endscheiben beziehungsweise Klappen gezwungen, nach hinten
abzufließen.
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Bei
höheren
Geschwindigkeiten und geschlossenen Klappen staut sich die Luft
und erhöht so
den aerodynamischen Widerstand, so dass die Tragfläche abgebremst
wird. Der Druck wird größer, die
Luft entweicht nicht nur nach hinten, sondern auch zu den Seiten.
Gleichzeitig verringert sich der induzierte Widerstand, da sich
aufgrund der Bodennähe
keine zentrale Luftwirbelschleppe ausbilden kann. Der induzierte
Widerstand und damit die Luftwirbel werden umso kleiner, je weiter
die Klappen nach außen
geschwenkt werden. Die Klappen verhindern dabei, dass die Luft um
die Tragflächenseitenkante
strömt.
Dies wirkt sich zwar negativ auf die Stabilität aus, jedoch ist diese Klappenstellung
für langsamen
Anflug, Bremsflug oder für
Steigflug gut geeignet.
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Bei
geöffneten
Klappen bieten die Tragflächen
im Vergleich zu normalen Tragflächen
einen nur geringen Widerstand und eine optimale Seitenstabilität bei einem
vergleichsweise hohen Auftrieb.
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Die
etwas vergrößerte Flügelfläche mit
gewölbten
Klappen, die in dieser Position wie Endscheiben wirken, hat eine
positive Auswirkung auf das Flugverhalten. Der Grund für das gute
Flugverhalten ergibt sich aus der Reduzierung des induzierten Widerstandes
(Wirbelschleppe) und aus der Erzeugung eines Druckpolsters im unteren
hinteren Bereich der Tragfläche.
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Bei
ausgestellten Klappen hat die Luft genügend Raum, um nach hinten abzufließen. Diese
Einstellung ist für
den schnellen Flug im Bodeneffekt besonders geeignet.
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Außerdem ist
bemerkenswert, dass sich der Auftrieb sowie der Gleitkoeffizient
auch bei großem Bodenabstand
zur Tragfläche
kaum verändern.
Da bei vollständig
geöffneten
Klappen die Messwerte vergleichbar mit denen einer normalen Tragfläche sind,
ist diese Tragfläche
auch für
den Freiflug geeignet.
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Da
die Angriffswinkel der einzelnen Teilklappen unabhängig voneinander
eingestellt werden können,
können
die oben beschriebenen Klappenpositionen auch durch entsprechende
Ausfahrwinkel der Teilklappen eingestellt werden.
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Das
Flugverhalten im Bodeneffekt wird durch die erfindungsgemäßen Schwenkklappen-Tragflächen optimal
ausgenutzt. Eine solche Tragfläche kann
sowohl im Bodeneffektflug als auch im Freiflug besonders gut der
individuellen Flugsituation angepasst werden. Dadurch wird ein wirtschaftliches Transportmittel
zur Verfügung
gestellt, das die Vorteile von Schiff und Flugzeug in einem alternativen
Verkehrsmittel verknüpft.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend näher
beschrieben; es zeigt:
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1 die
schematische Draufsicht auf ein Bodeneffektfahrzeug, mit den Tragflächen zugeordneten
Schwenkklappen, in halbgeöffneter
Stellung;
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2 die
schematische Darstellung einer Tragfläche von unten, mit geschlossener
Schwenkklappe;
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3 die
schematische Darstellung einer Tragfläche, von unten, mit geöffneter
Schwenkklappe;
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4 die
schematische Darstellung der Überlappung
der Teilklappen und dem dadurch erzielten Strömungsverlauf an einer Tragfläche;
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5 das
Konstruktionsprinzip der Schwenkklappen an einer Tragfläche in Detaildarstellung;
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6 die
schematische Darstellung einer Tragfläche mit parabelförmigen Tragflächenhinterkanten
und mehreren, nämlich
fünf, festen,
ein- und ausfahrbaren Teilklappen;
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7 die
schematische Darstellung einer Tragfläche mit parabelförmigen Tragflächenhinterkanten
und mehreren, nämlich
sechs, festen, ein- und ausfahrbaren Teilklappen.
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Das
in der 1 schematisch dargestellte Bodeneffektfahrzeug 10 besteht
im Wesentlichen aus einem längs
verlaufenden, flugzeugähnlichen Rumpf 11 und
zwei beiderseits des Rumpfes 11 angebrachten Tragflächen 12 und 12a sowie
einem Leitwerk 13. Im Bereich der Tragflächenvorderkanten 14 sind
an den Tragflächenunterseiten 16 Schwenkklappen 18 angebracht,
die sowohl über
die Tragflächenhinterkanten 15 als
auch über
die Tragflächenseitenkanten 17 hinaus überstehen.
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Die
Schwenkklappen 18 sind in Drehpunkten 19 relativ
zu den Tragflächen 12/12a verschwenkbar und
an ihren äuße ren freien
Enden 21 mit äußeren Teilklappen 20,
mittleren Teilklappen 20a und inneren Teilklappen 20b versehen,
wie dies in den 2 und 3 im Detail
dargestellt ist.
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Bei
der in der 2 dargestellten geschlossenen
Stellung ragt die äußere Teilklappe 20 über die Tragflächenhinterkante 15 hinaus,
während
die innere Teilklappe 20b etwa mit der Tragflächenseitenkante 17 abschließt.
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Wie
die 4 zeigt, sind die Teilklappen 20, 20a und 20b auf
einem Kreisbogen angeordnet, so dass die anströmende Luft von Klappe zu Klappe überlappend
weitergeleitet wird. Dabei stößt der äußere Endpunkt 30 der
mittleren Teilklappe 20a gegen die Außenseite 29 der inneren
Teilklappe 20b und der innere Endpunkt 31 der äußeren Teilklappe 20 an
die Außenseite 32 der
mittleren Teilklappe 20a. Dadurch entsteht eine nach innen,
d.h. zum Rumpf 11 gerichtete Luftströmung 22. Der Angriffswinkel 23 zwischen der
Luftströmung 22 und
der Tragfläche 12/12a ist variabel.
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Die
Teilklappen 20, 20a und 20b können von der
Unterseite 16 der Tragfläche 12/12a wegweisend unterschiedlich
stark gewölbt
sein.
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Wie
die 5 zeigt, wird zwischen einer durch den äußeren Endpunkt 25 der
inneren Teilklappe 20b geführten Waagerechten 27 und
einer entlang der Außenseite 33 der äußeren Teilklappe 20 verlaufenden
Senkrechten 28 ein Innenwinkel 24 gebildet. Der
Innenwinkel 24 ist vorzugsweise ein rechter Winkel. Der
Innenwinkel 24 ist durch die Anzahl der jeweils vorgesehenen
Teilklappen 20, 20a und 20b geteilt,
wobei die Anzahl der Teilklappen variabel sein kann. Sie bilden
Teilwinkel 35, die gleichgroß sind und sich im Schnittpunkt 34 der
Waagerechten 27 und der Senkrechten 28 treffen.
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Die
Mittelsenkrechte 36 der inneren Teilklappe 20b und
Mittelsenkrechte 36a der äußeren Teilklappe 20 treffen
sich in dem Drehpunkt 19 der Schwenkklappe 18.
Die Schwenkklappe 18 kann computergesteuert den jeweiligen
Flugsituationen angepasst werden. Der Drehpunkt 19 kann
dabei auf einer nicht dargestellten Schiene längs verschoben werden.
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In
der 6 ist eine Tragfläche 12b dargestellt,
deren Tragflächenhinterkante 15a parabelförmig ausgebildet
ist. Die parabelförmig
ausgebildete Tragflächenhinterkante 15a und
die ebenfalls parabelförmig
ausgebildete Seitenkante 17a sind mit mehreren, nämlich hier
mit fünf
festen, ein- und ausfahrbaren Teilklappen 37 versehen.
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Bei
der in der 7 dargestellten Ausführung sind
die parabelförmig
ausgebildete Tragflächenhinterkante 15a und
die ebenfalls parabelförmig ausgebildete
Seitenkante 17a der Tragfläche 12b mit sechs
festen, ein- und
ausfahrbaren Teilklappen 37 versehen.
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Die
Teilklappen 37 sind individuell und einzeln ein- und ausfahrbar.
Ein seitliches Verschwenken ist dabei nicht vorgesehen. Durch entsprechendes
Ansteuern der Teilklappen 37 können alle Positionen und Einstellungen
vorgenommen werden, die erforderlich sind, um das je nach Beladungszustand und
Geschwindigkeit erforderliche Luftkissen aufbauen zu können. Diese
Ausführung
ist relativ wartungsarm und kann platzsparend bei entsprechender
Konstruktion in die Tragflächen 12b integriert
werden.