DE4023112C2

DE4023112C2 - Aerostatischer offener oder geschlossener Freiballon, insbesondere für den Einsatz in grossen Höhen

Info

Publication number: DE4023112C2
Application number: DE19904023112
Authority: DE
Inventors: Hartmut Ing Grad Gehse; Artur Schmidt; Albert Schmid
Original assignee: Gehse Hartmut
Current assignee: GEHSE, HARTMUT, 88677 MARKDORF, DE SCHMID, ALBERT,
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: DE4023112A1

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 Bal lons 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 (Jet streams) für die Fahrt zu nutzen oder gegebenenfalls sich oberhalb des Wet terbereichs der Atmosphäre zu bewegen.

Es lassen sich damit große Höhenänderungen im Verlaufe einer Fahrtmis sion vermeiden. Ballons der genannten Art, insbesondere für den Einsatz bei Langzeitmissionen am Rande oder auch innerhalb der Erdatmosphäre erfor dern 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 Ge fahren z. B. für den Luftverkehr aus und es ist erforderlich, den Standart 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 Ballastes in ca. 4 bis 6 Tagen auf die Hälfte reduziert. Diese Umstände erfordern es, daß von vorn herein 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. Bei einer bekannten Ausbildung für Luftschiffe sind im Inneren des Tragkör pers in Längsrichtung voneinander getrennt Kugelballone und in den zwi schen den Kugelballonen verbleibende Hohlräume Ringballone angeordnet. Mittel zur willkürlichen Änderung der Fahrthöhe durch Volumensänderung oder Änderung des Druckes des Traggases bzw. eine Beeinflussung der Form oder Lage der Traggasbehälter ist nicht vorgesehen (DR-PS 246 199).

Bei einer anderen bekannten Ausführung eines ballonähnlichen Luftfahrzeu ges ist der Tragkörper durch voneinander getrennte Längskammern gebildet, wobei sich zellenartig Kammern um eine zentrale Kammer gruppieren. Dabei sind besondere Maßnahmen zur Vermeidung der Auswirkung der Zerstörung einer der Zellen aufgrund zu niedrigen äußeren Luftdruckes, hervorgerufen durch unsymmetrischen Angriff der Auftriebskräfte am Fahrzeug getroffen (DR-PS 214 859).

Eine weitere bekannte Ausbildung betrifft in bezug auf die Fahrthöhe steuer bare Ballone mit voneinander getrennten, übereinanderliegend angeordneten Tragkörpern, die jeweils mit unterschiedlichen Gasen gefüllt sind. Ferner ist ein separater, mit der zweiten Umhüllung in Verbindung stehender und als Absorptionsmittel dienendes, metallisches Lithium aufnehmender Container (US-PS 4,115,834).

Bei einer weiteren Ballonausbildung sind übereinanderliegende, ständig ver bundene Bereiche einer Ballonhülle mit unterschiedlich dehnbaren Hüllenab schnitten versehen. Änderungen des Volumens des Ballonabschnittes mit dehnbarem Hüllenmaterial erfolgt mit den sich ändernden Druck- und Tempe raturverhältnissen automatisch (US-PS 3,484,058).

Eine andere bekannte Ballonausbildung weist eine zur Volumensänderung dienende elastische Halterung für eine Anzahl von Hüllteilen auf. Die Ände rung des Volumens des Ballons soll bei sich vergrößerndem Gasdruck Gas verluste bei offenen Ballons vermeiden (CH-PS 64 125).

Bei einem weiteren, steuerbaren Ballon ist eine äußere und eine innere Hülle mit übereinanderliegenden und ineinander übergehenden Gaszellen vorge sehen, wobei die Zellen durch ein vertikales und ein in Umfangsrichtung ver laufendes Netz überspannt und durch Veränderung des Abstandes von Pol teilen in ihrem Inneren in bezug auf das Volumen veränderbar sind. Über das untere Polteil erfolgt die Zu- bzw. Ableitung von Luft in die äußere Umhüllung (US-PS 4,711,416).

Außerdem ist eine ziehharmonikaförmig ausgebildete und in vertikaler Rich tung zusammenziehbare oder ausdehnbare Gaszelle zur Veränderung des Zellenvolumens bekannt. Dafür sind pneumatisch arbeitende Verstelleinrich tungen und Führungen an der Zelle im Bereich ihres äußeren Durchmessers vorgesehen (DE-Gm 73 38 639; DE-Gm 73 28 258).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerung zu schaffen, mit tels der es ermöglicht wird, auf relativ einfache Weise und geringem Bauauf wand, 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 Merk malen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 ausgebildeten Steuerein richtung.

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

Gegenüber dem Bekannten wird mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Steuereinrichtung durch eine Reduzierung des Ballonvolumens ausgehend vom untersten Volumensbereich des Ballons durch änderbare Einschnürun gen in Richtung der senkrechten Ballonmittelachse zum oberen Volumensbe reich eine Höhenänderung bzw. eine Änderung der Prallhöhe des Ballons be wirkt.

Die Steuerung arbeitet auch mit umgekehrt ablaufender Steuerbetätigung und daraus resultierender, umgekehrter Steuerwirkung.

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 darge stellt. Die Ausführungsbeispiele sind anhand der Zeichnung und der nach folgenden Beispielsbeschreibung näher erläutert.

ln 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 Ver sion 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 gummiertem, einlagigen oder zweilagigen Baumwollge webe. Die Ballonhülle 2 ist von einem Ballonnetz 3 umgeben, dessen Aus laufleinen 4 an einem Korbringteil 9 befestigt sind.

Leinenabschnitte 4′ verlaufen vom Ringteil 9 zum Lastaufnehmeteil 8, z. B. einem Ballonkorb üblicher Ausbildung, und sind an diesen 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 Ventilein richtung mit einem Ventil 20 zum Ablassen des Traggases und eine Einrich tung mit einer durch einen Reißgurt betätigbaren Reißbahn 22 zur Schnell entleerung 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 Volumenände rung 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 E1-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 einge schnürt 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 Volumensbereiches A mittels der über Fernbedienung betätigbaren Stelleinheiten 38, 38′, 38′′, die Größe der Ein schnürung und damit die Veränderung der Größe des Volumens bzw. der Ver lagerung 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 gezeig ten Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander und willkürlich durch Betä tigung des bordseitigen Teiles der Steuereinrichtung 11 vom bodengestütz ten 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 eine Ausführung möglich, bei der die Stelleinheiten 38, 38′, 38′′ an der Außenseite 36 der Ballonhülle 2 angeordnet sind. Die An lenkungen 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 Ballonbereiche A′ B, C und D beispielsweise mit gegenüber der Form des prallen Ballons jeweils verminderten 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 je weils einer neuen Prallhöhe.

Die beschriebene Einschnürung der Ballonhülle 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 Bal lon 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, Tem peratur) 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 auf grund der geringeren Dichte des Füllgases, wobei der Druck seinen Maximal wert am höchsten Punkt (Scheitelpunkt S) der Ballonhülle 2, bezogen auf das Niveau des Füllaufsatzes 27 bzw. die Füllansatzöffnung 29, besitzt.

Claims

1. Aerostatischer, offener und / bzw. oder geschlossener Freiballon, ins besondere für den Einsatz in großen Höhen, 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 Gesamtvolu men (V) durch Einschnürungen in zwei oder mehrere, untereinan der ständig verbundene Teilvolumensbereiche (A′ B′ C, D) unter teilbar 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 Rich tung der vertikalen Ballonmittelachse (X) verlagerbar vorgesehen sind.

3. Freiballon nach Anspruch 1 und bzw. oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Teilvolumensbereiche (A, B, C, D) des Ge samtvolumens (V) der Ballonhülle (2) in Richtung der vertikalen Bal lonmittelachse (X) übereinanderliegend vorgesehen sind.

4. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ballonhülle (2) in Horizontal ebenen (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 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheiten (38, 38′, 38′′) gebildet sind aus je einem Stellmotor (40), eine durch den Motor an treibbare 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 1-5, 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 1-6, 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 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheiten (38) mittels einer Steuereinrichtung unabhängig voneinander betätigbar vorge sehen sind.

9. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Volumensbereiche (A, B, C) der Ballonhülle (2) in den horizontalen Ebenen (E1-E1; E2- E2; E3-E3) eine zentrale Stelleinheit (38) zu geordnet ist, wobei mit tels der Windentrommel (42) der Winde (41) jeweils an einer der An lenkungen (48) an der Ballonhülleninnenseite (35) angreifende Zug organe (45) gemeinsam auf- bzw. abspulbar angeordnet sind.

10. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ballonhülle (2) festen Anlenkungen (48) in den Ebenen (E1-E1; E2-E2; E3-E3) als Ring teile ausgebildet sind und das Zugorgan (45) der zugehörigen Stell einheit (38) durch sämtliche Ringteile hindurchgeführt und zur Län genänderung auf die Windentrommel (42) auf oder abwickelbar an geordnet ist.

11. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Angriffs der Zu gorgane (45) in oder zumindest im wesentlichen in der Horizontal ebene (E1-E1; E2-E2; E3-E3) erfolgt.

12. Freiballon nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1-11, 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 verti kalen Ballonmittelachse (X) zum Ballonscheitelpunkt (S) abnehmen de Werte aufweist.