DE4023112A1 - Aerostatischer offener oder geschlossener freiballon, insbesondere fuer den einsatz in grossen hoehen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft aerostatische Freiballons mit einer Einrichtung zur Höhensteuerung entsprechend dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Ausbildung geht davon aus, daß sich ein Ballon nur in seiner Prallhöhe im Gleichgewicht befindet. Bekannter Weise ergibt sich die Prallhöhe aus
- dem Ballonvolumen
- der Art des Füllgases und
- der vom Ballon zu tragenden Last.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Prallhöhe bei offenen Ballons gesteuert durch
- Nachfüllen von Füllgas
- durch Aufheizen des Füllgases, oder durch
- Ballastabgabe.

Bei geschlossenen Ballons erfolgt die Steuerung der Prallhöhe durch
- Änderung des Ballonvolumens mittels eines sogenannten "Ballonets", oder durch
- Ballastabgabe.

Die genaue Ansteuerung einer Fahrthöhe erlaubt, günstige Höhenwinde (Jetstreams) für die Fahrt zu nutzen oder gegebenenfalls sich oberhalb des Wetterbereichs der Atmosphäre zu bewegen.
Es lassen sich damit große Höhenänderungen im Verlaufe einer Fahrtmission vermeiden. Ballons der genannten Art, insbesondere für den Einsatz bei Langzeitmissionen am Rande oder auch innerhalb der Erdatmosphäre erfordern nur einen relativ geringen Aufwand an Kosten.

Solche Ballons nutzen bei Einsatz in größeren Höhen (z. B. bis 25 km) die dort herrschenden konstanten Ost-West-Winde mit sehr geringen Nord-Süd- Abweichungen aus und es können Standortveränderungen der Ballons von einigen tausend Kilometer auftreten.

In Mehr-Tage-Missionen eingesetzte Ballons verlieren jedoch beim Eintritt der Dunkelheit (Dämmerung/Nacht) einen Teil ihres Auftriebs. Die Ballons können in dieser Zeitspanne z. B. aus einer Fahrthöhe am Tage von 40 000 m um 10 000 m an Höhe verlieren.

Von Standortveränderungen bzw. Höhendifferenzen der Ballons gehen Gefahren z. B. für den Luftverkehr aus und es ist erforderlich, den Standort der Ballons ständig zu überwachen, um gegebenenfalls Sicherheitsvorkehrungen treffen zu können.

Soll eine konstante Fahrthöhe von solchen Ballons ausgesteuert, das heißt gehalten werden, so muß pro Sonnenuntergang ca. 8% der Gesamtlast in Form von Ballast abgeworfen werden.

Wie Erfahrungen zeigen, wird das Gesamtgewicht des Ballast in ca. 4 bis 6 Tagen auf die Hälfte reduziert. Diese Umstände erfordern es, daß von vornherein ca. 50% der Ballonlast als Ballast eingeplant werden muß, was zur Reduzierung der maximal vom Ballon getragenen Nutzlast führt. Dabei steigt der Ballastverbrauch mit dem geforderten Grad der Höhenstabilisierung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerung zu schaffen, mittels der es ermöglicht wird, auf relativ einfache Weise und geringem Bauaufwand, sowie geringem Gewicht für die notwendige Steuereinrichtung die Prallhöhe von Ballons gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 zu steuern.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 ausgebildeten Steuereinrichtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen von dem Anspruch 1 folgenden Patentansprüchen.

Mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Steuereinrichtung wird durch eine Reduzierung des Ballonvolumens ausgehend vom untersten Volumensbereich des Ballons in Richtung der senkrechten Ballonmittelachse zum oberen Volumenbereich eine Höhenänderung bzw. eine Änderung der Prallhöhe des Ballons bewirkt.

Die Änderung des Ballonvolumens erfolgt so, daß eine dem geänderten Volumen entsprechende neue Prallhöhe eingestellt wird. Daraus resultiert eine optimale Aussteuerung der Tag-Nacht-Differenz des Ballonvolumens, den Ballastverlust durch Verbrauch der Betriebsstoffe zu kompensieren und unter Beibehaltung der vorgegebenen Fahrthöhe und Gefahrenzonen (Vereisungsgebiete) der Atmosphäre zu überfahren, sowie Höhen mit günstigen Windverhältnissen anzusteuern.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele sind anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beispielbeschreibung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den allgemeinen Aufbau eines offenen Freiballons, schematisiert dargestellt,

Fig. 2 die Ausbildung eines prallgefüllten Ballons in Verbindung mit Stelleinheiten zur Volumensänderung, schematisiert und in Perspektive dargestellt,

Fig. 3 den Ballon mit gegenüber der Darstellung in Fig. 1 mittels der Stelleinheiten verminderten Volumen.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine offene Version eines Ballons 1, mit einer mit einem Medium leichter als Luft füllbaren Ballonhülle 2, allgemein bekannten Aufbaues und bekannter Arbeitsweise. Die Ballonhülle 2 des insgesamt mit 1 bezeichneten Ballons ist in üblicher Weise gebildet aus gummierten, einlagigen oder zweilagigen Baumwollgeweben. Die Ballonhülle 2 ist von einem Ballonnetz 3 umgeben, dessen Auslaufleinen 4 an einem Korbringteil 9 befestigt sind. Leinenabschnitte 4′ verlaufen vom Ringteil 9 zum Lastaufnahmeteil 8, z. B. einem Ballonkorb üblicher Ausbildung, und sind an diesem fest angebracht.

Das Lastaufnahmeteil 8 enthält Behälter 10 zur Traggasaufnahme für die Höhenregulierung. Ferner ist mit 11 der bordseitige Steuerungsteil für die Fernbetätigung der Stelleinheiten 38, 38′, 38′′) bei unbemannten Ballons bezeichnet, was später noch näher beschrieben wird. Die Ballonhülle 2 besitzt im Bereich ihres Scheitelpunktes S eine Ventileinrichtung mit einem Ventil 20 zum Ablassen des Traggases und eine Einrichtung mit einer durch einen Reißgurt betätigbaren Reißbahn 22 zur Schnellentleerung für die Landung des Ballons.

Die Ballonhülle 2 besitzt im unteren Bereich ferner einen schlauchförmigen Füllansatz 27 mit einer ständig durch einen sogenannten "Pöschelring" 28 in Aufspreizstellung gehaltenen Öffnung 29. Ferner ist noch in üblicherweise ein Schlepptau 26 vorgesehen.

Innerhalb der Ballonhülle 2 sind gemäß der Zeichnung zur Volumenänderung bzw. zur Verlagerung des Volumens in Richtung der Vertikalachse X des Ballons Stelleinheiten 38, 38′ und 38′′ vorgesehen.

Das Volumen bzw. der von der Ballonhülle 2 umschlossene und das Füllgas enthaltende Innenraum 35 des Ballons 1 ist in Horizontalebenen E1-E1; E2-E2; E3-E3 in zueinander veränderbare, jedoch ständig miteinander in Verbindung stehende Volumensbereiche A, B, C und D unterteilbar, wie nachfolgend näher erläutert:

Dazu sind gemäß der Ausbildung nach Fig. 2 und 3 innerhalb der Ballonhülle 2 in den übereinander liegenden Horizontalebenen E-1-E1; E2-E2; E3-E3 die Stelleinheiten 38, 38′ bzw. 38′′ angeordnet. Die Stelleinheiten weisen an der Innenseite 35 der Ballonhülle 2 über Verstärkungsfelder 49 befestigte und auf den Ballonumfang gleichmäßig verteilt angeordnete Ringteile 48 für den Angriff bzw. die Führung eines Zugorgans 45 auf. Zur Stelleinheit 38, 38′, 38′′ gehört ferner je ein, z. B. von der Ballonhülle 2 getragener Stellmotor 40, dessen Antriebswelle 43 drehfest die Trommel 42 einer Seilwinde 41 trägt.
An der Windentrommel 42 ist das Zugorgan 45 auf- bzw. abspulbar befestigt, so daß bei Antrieb der Seiltrommel 42 durch den Stellmotor 40 die Hülle 2 in der entsprechenden Horizontalebene E-E über die Ringe 48 entgegen dem Innendruck des Füllgases auf die Hülle 2 eingezogen, das heißt eingeschnürt bzw. durch diesen Druck nach außen in die uneingeschnürte Form zurückgeführt wird.

Wirkungsweise:

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung wird durch wahlweise Einschnürung der Ballonhülle 2 in den Horizontalebenen E1-E1; E2-E2 bzw. E3-E3 das Ballonvolumen vorwiegend in Richtung der vertikalen Ballonmittelachse X höhenverlagert und/oder im Volumen verändert, und damit eine jeweils dem Ballonvolumen entsprechende neue Prallhöhe angefahren. Dabei wird, ausgehend vom untersten Volumenbereich A mittels der über Fernbedienung betätigbaren Stelleinheiten 38, 38′, 38′′, die Größe der Einschnürung und damit die Veränderung der Größe des Volumens bzw. der Verlagerung des Ballonvolumens in Richtung der Vertikalachse X des Ballons 1 bewirkt.

Mittels der durch den Stellmotor 40 angetriebenen Windentrommel 42 wird das an ihr befestigte Zugorgan 45, das hier durch ein Seil gebildet ist, auf die Seiltrommel 42 aufgespult und damit in seiner Länge verkürzt.

Im umgekehrten Falle wird durch Drehrichtungsänderung des Stellmotors 40 bzw. der Winde 41 die Länge des Zugorgans 45 vergrößert. Die Einwirkung des Zugorgans 45 auf die Ballonhülle 2 erfolgt über die an der Innenseite 35 der Ballonhülle 2 befestigten Anlenkungen 48, die hier als Ringteile ausgebildet sind.
Einschnürungen in der vorangehend beschriebenen Weise, sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander und willkürlich durch Betätigung des bordseitigen Teiles der Steuereinrichtung 11 vom bodengestützten Teil aus in den Horizontalebenen E1-E1; E2-E2 und E3-E3 mittels der in diesen Ebenen angeordneten Stelleinheiten 38, 38′, 38′′ einstellbar.

Es ist ferner auch Ausführung möglich, bei der die Stelleinheiten 38, 38′, 38′′ an der Außenseite 36 der Ballonhülle 2 angeordnet sind. Die Anlenkungen 48 für die Zugorgane 45 sind dabei an der Außenseite 36 der Ballonhülle 2 befestigt. Das Zugorgan 45 umschlingt damit die Hülle 2 von außen.
Mit der Einschnürung der Ballonhülle 2 in den Ebenen E1-E1 bis E3-E3 werden Ballonbereich A, B, C und D beispielsweise mit gegenüber der Form des prallen Ballons jeweils vermindertem Volumen gebildet. Damit ergibt sich einerseits eine Gesamtvolumensänderung und andererseits eine entsprechende Veränderung des Innendrucks des Ballons. Die Änderung des Ballonvolumens bzw. die Verlagerung des Ballonvolumens in Richtung der vertikalen Ballonmittelachse X ermöglicht das Anfahren jeweils einer neuen Prallhöhe.

Die beschriebene Einschnürung der Ballonhöhe 2 soll jedoch nicht über das pralle Hüllenvolumen hinaus erfolgen, um eine Überbeanspruchung der Hülle 2 bzw. bei offenen Ballonsystemen ein Austreten von Füllgas zu vermeiden.

Für das Freiballonsystem gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein offener Ballon vorgesehen.
Diese Ballonart hat durch ein vorgegebenes Hüllenvolumen eine festgelegte Prallhöhe gemäß Normatmosphäre in der der Ballon stabilisiert ist und der Ballon weicht bei Änderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) sowohl nach oben als auch nach unten aus. Im prallen Zustand ist der Ballon offen und hat ein indifferentes Gleichgewicht nach unten, sowie ein labiles Gleichgewicht nach oben. Die Erfindung ist auch bei geschlossenen Freiballons anwendbar. Bei geschlossenen Ballons muß in Prallhöhe des Ballons die Belastung der Hülle 2 des Ballons durch den von innen wirkenden Ballonüberdruckes des Füllgases berücksichtigt werden. Der Überdruck im Inneren des Ballons, der auf die Hülle 2 wirkt, entsteht aufgrund der geringeren Dichte des Füllgases, wobei der Druck seinen Maximalwert am höchsten Punkt (Scheitelpunkt S) der Ballonhülle 2, bezogen auf das Niveau des Füllaufsatzes 27 bzw. die Füllansatzöffnung 29, besitzt.

Claims (12)

1. Aerostatischer, offener und/bzw. oder geschlossener Freiballon, insbesondere für den Einsatz in großen Hüllen, enthaltend:
- eine Ballonhülle für die Aufnahme des Traggases,
- Mittel zur willkürlichen Änderung der Fahrthöhe bzw. Prallhöhe des Ballons und
- Mittel zur Lastaufnahme,
dadurch gekennzeichnet, daß
- das von der Hülle (2) des Ballons (1) umschlossene Gesamtvolumen (V) durch Einschnürungen in zwei oder mehrere, untereinander ständig verbundene Teilvolumensbereiche (A, B, C, D) unterteilbar ist,
- deren Volumen und bzw. oder Druck willkürlich veränderbar ist.

2. Freiballon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einschnürung bzw. Freigabe der Ballonhülle (2) das Volumen eines oder mehrerer der Teilvolumensbereiche (A, B, C, D) in Richtung der vertikalen Ballonmittelachse (X) verlagerbar vorgesehen sind.

3. Freiballon nach Anspruch 1 und bzw. oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilvolumensbereiche (A, B, C, D) des Gesamtvolumens (V) der Ballonhülle (2) in Richtung der vertikalen Ballonmittelachse (X) übereinanderliegend vorgesehen sind.

4. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ballonhülle (2) in Horizontalebenen (E1-E1; E2-E2; E3-E3) der Teilvolumensbereiche (A, B, C, D) über Anlenkungen (48) willkürlich betätigbare Stelleinheiten (38) angreifen.

5. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheiten (38, 38′, 38′′) gebildet sind aus je einem Stellmotor (40), eine durch den Motor antreibbare Winde (41, 42) und ein auf die Windentrommel (42) auf- bzw. abspulbares, an den Anlenkungen (48) an der Ballonhülle (2) angreifendes Zugorgan (45).

6. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheiten (38, 38′, 38′′) und die Anlenkungen (48) innerhalb der Ballonhülle (2) angeordnet sind.

7. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheiten (38, 38′, 38′′) und die Anlenkungen (48) außerhalb der Ballonhülle (2) angeordnet sind.

8. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinheiten (38) mittels einer Steuereinrichtung unabhängig voneinander betätigbar vorgesehen sind.

9. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Volumenbereiche (A, B, C) der Ballonhülle (2) in den horizontalen Ebenen (E1-E1; E2- E2; E3-E3) eine zentrale Stelleinheit (38) zugeordnet ist, wobei mittels der Windentrommel (42) der Winde (41) jeweils an einer der Anlenkungen (48) an der Ballonhülleninnenseite (35) angreifende Zugorgane (45) gemeinsam auf- bzw. abspulbar angeordnet sind.

10. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ballonhülle (2) festen Anlenkungen (48) in den Ebenen (E1-E1; E2-E2; E3-E3) als Ringteile ausgebildet sind und das Zugorgan (45) der zugehörigen Stelleinheit (38) durch sämtliche Ringteile hindurchgeführt und zur Längenänderung auf die Windtrommel (42) auf oder abwickelbar angeordnet sind.

11. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Angriffs der Zugorgane (45) in oder zumindest im wesentlichen in der Horizontalebene (E1-E1; E2-E2; E3-E3) erfolgt.

12. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Volumensänderung der einzelnen Volumensbereiche (A, B, C) zueinander mittels der Einschnürung oder Freigabe der Ballonhülle (2) in Richtung der vertikalen Ballonmittelachse (X) zum Ballonscheitelpunkt (S) abnehmende Werte aufweist.