DE10248692A1 - Device for adjusting height of an aircraft comprises tank enclosing aerogel which is evacuated and connected to atmosphere by valve opened to increase weight of device and assist maintaining uniform height - Google Patents
Device for adjusting height of an aircraft comprises tank enclosing aerogel which is evacuated and connected to atmosphere by valve opened to increase weight of device and assist maintaining uniform heightInfo
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Abstract
Description
Luftfahrzeuge werden durch zwei verschiedene Arten des Auftritts in der Schwebe
gehalten
- - statischer Auftrieb, in der Regel durch Hohlkörper mit kleinerer Dichte als die der umgebenden Luft (Gas-Ballons, Heißluft-Ballons, Zeppeline)
- - dynamischer Auftrieb durch speziell geformte Flügel bei Fahrt durch die Luft
- - static buoyancy, usually due to hollow bodies with a lower density than that of the surrounding air (gas balloons, hot air balloons, zeppelins)
- - Dynamic buoyancy through specially shaped wings when traveling through the air
Der dynamische Auftrieb ist an eine Bewegung des Luftfahrzeuges durch die Luft gebunden, bei Stillstand fällt er weg. Bei Flugzeugen wird der dynamische Auftrieb durch die Form der Flügel und die Anstellwinkel der Flügel und des Flugzeugkorpus erreicht. The dynamic buoyancy is due to a movement of the aircraft through the air bound, it stops when stopped. In aircraft, the dynamic buoyancy by the shape of the wings and the angle of attack of the wings and the body of the aircraft reached.
Werden Luftfahrzeuge durch Verbrennungsmaschinen (Kolbenmotoren, Kreiskolbenmotoren, Stahltriebwerke, Turboprop-Triebwerke) angetrieben, ist der dynamische Auftrieb eines Luftfahrzeuges über die Fahrstrecke nicht gleich, denn der Verbrauch an Brennstoff in der Verbrennungsmaschine führt zu einer Abnahme der Gewichtskraft, so dass weniger Auftrieb als zu Beginn der Reise benötigt wird. Dieser reduzierte Bedarf an Auftrieb wird z. B. bei Flugzeugen durch einen verringerten Anstellwinkel des gesamten Flugzeuges kompensiert. Bei Luftfahrzeugen mit statischem Auftrieb wird der Auftrieb durch Verringerung des Volumens kleinerer Dichte als Luft (z. B. Ablassen von leichten Gasen) oder durch Änderung der Dichte des Hohlkörpers (Reduzierung der Lufttemperatur im Auftriebsvolumen von Heißluftballons) erreicht. Würde das leichte Gas nicht abgelassen sondern in eine Druckgasflasche zurückkomprimiert, müsste das Luftfahrzeug eine Transportlizenz für Druckbehälter nach DruckBehVO besitzen, was wenig wahrscheinlich ist. Are aircraft powered by internal combustion engines (piston engines, Rotary piston engines, steel engines, turboprop engines) is driven dynamic lift of an aircraft over the route is not the same, because the consumption of fuel in the internal combustion engine leads to a decrease weight, so less buoyancy is needed than at the start of the journey. This reduced need for buoyancy is e.g. B. in aircraft by one reduced angle of attack of the entire aircraft compensated. at Aircraft with static lift will increase lift by reducing the Volume less density than air (e.g. venting light gases) or through Changing the density of the hollow body (reducing the air temperature in the Lift volume of hot air balloons) reached. Wouldn't be the light gas drained but compressed back into a compressed gas bottle, that should Aircraft own a transport license for pressure vessels according to DruckBehVO what is unlikely.
Diese Maßnahmen sind entweder von erhöhtem Energieverbrauch (zu steiler Anstellwinkel von Flugzeugen beim Start, Rückkompression) oder Verlust von unerwünschten Stoffen in die Umwelt (Ablassen von leichten Gasen) begleitet und somit wenig vorteilhaft. Zusätzlich stellen sie eine Gefahr bei Havarie (Druckbehälter) dar. These measures are either of increased energy consumption (too steep Angle of attack of aircraft at takeoff, recompression) or loss of unwanted substances in the environment (release of light gases) accompanied and therefore not very advantageous. They also pose a danger in the event of an accident (pressure vessel) represents.
Diese wenig vorteilhaften Maßnahmen werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden. These measures, which are not very advantageous, are achieved by the inventive method Avoided device.
Die Vorrichtung besteht aus einem Behälter (Abtriebskörper), der durch Evakuierung seine geringste Masse bei gegebenem Volumen hat und vom Luftfahrzeug mitgeführt wird. Mit zunehmendem Brennverbrauch wird der Abtriebskörper mit der Umgebungsluft belüftet und erhöht somit sein Gewicht. Aus der Menge des verbrauchten Treibstoffes lässt sich mit der Dichte der Luft und den Gesetzen der Thermodynamik die Menge an Luft bestimmen, die dem Abtriebskörper zugeführt werden muss. The device consists of a container (driven body), which is evacuated has its lowest mass for a given volume and carried by the aircraft becomes. With increasing combustion consumption, the output body with the Ambient air ventilates and thus increases its weight. From the amount of used fuel can be determined with the density of the air and the laws of the Thermodynamics determine the amount of air that is supplied to the output body must become.
Würde man den Abtriebskörper aus Metall bauen, würde die erforderliche mechanische Stabilität der Hülle bei vollem Vakuum zu einem besonders schweren Körper und damit zu erhöhtem Bedarf an Auftrieb und damit an Brennstoff führen. Um so höher das Vakuum und umso geringer die Masse des Abtriebskörpers ist, um so weiter ist jedoch der Regelbereich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet diese Nachteile. If one were to build the output body from metal, the required would mechanical stability of the case at full vacuum to a particularly heavy Body and thus lead to an increased need for buoyancy and thus for fuel. The higher the vacuum and the lower the mass of the driven body is however, this is the control range. The device according to the invention avoids these disadvantages.
Erfindungsgemäß besteht der Abtriebskörper in Abb. 1 aus einer leichten Hülle 2, die ein Volumen 1 umschließt, das aus einem besonders leichten Feststoff besteht. Um so geringer die Bulkdichte des Feststoffes, umso geeigneter ist er als Füllmaterial. Eine weitere Forderung an das Füllmaterial ist, dass es porös ist, damit die abzusaugende oder zugeführte Luft auch alle Volumenelemente des Abtriebskörpers ohne großen Druckverlust erreicht, da die umgebende Hülle 2 wegen ihrer Leichtigkeit keine großen Druckdifferenzen ertragen kann. Bei Havarie des Luftfahrzeuges darf das Füllmaterial 1, das dann sicher aus der Hülle 2 freigesetzt wird, keine Schädigungen an Menschen oder an der Umwelt anrichten. Ein besonders geeignetes Füllmaterial ist der Feststoff Aerogel. Aerogele sind dreidimensionale Netzwerke, aus denen das Lösungsmittel entfernt wurde. Sie haben Dichten von 0,003 bis 0,8 g/cm3. Metalloxid-Aerogele werden in einem Sol-Gel Prozess hergestellt. Teichner et al. (U. S. Patent No.3,672,833) haben beispielhaft einen Prozess zur Herstellung von Aerogelen beschrieben. In diesem Prozess werden Teträalkylorthosilikate wie Tetramethylorthosilikat (TMOS) oder Tetraethylorthosilikat (TEOS)) mit 1 bis 5 der stöchiometrischen Menge von Wasser, mit Alkohol und entsprechendem Katalysator (Basen oder Säuren) in einem Schritt umgesetzt. According to the invention, the driven body in Fig. 1 consists of a light shell 2 , which encloses a volume 1 , which consists of a particularly light solid. The lower the bulk density of the solid, the more suitable it is as a filler. Another requirement for the filling material is that it is porous so that the air to be extracted or supplied also reaches all volume elements of the output body without a large pressure loss, since the surrounding casing 2 cannot withstand large pressure differences because of its lightness. In the event of an aircraft accident, the filling material 1 , which is then released safely from the casing 2 , must not cause any damage to people or to the environment. A particularly suitable filling material is the solid airgel. Aerogels are three-dimensional networks from which the solvent has been removed. They have densities from 0.003 to 0.8 g / cm 3 . Metal oxide aerogels are produced in a sol-gel process. Teichner et al. (US Pat. No. 3,672,833) have exemplified a process for producing aerogels. In this process, tetraalkyl orthosilicates such as tetramethyl orthosilicate (TMOS) or tetraethyl orthosilicate (TEOS)) are reacted with 1 to 5 of the stoichiometric amount of water, with alcohol and a corresponding catalyst (bases or acids) in one step.
Es gibt 2 verschiedene Modifikationen von Aerogelen: hydrophile und hydrophobe. Die hydrophilen Aerogele schrumpfen beim Kontakt mit Wasser, das in der Luft erhalten ist (Luftfeuchtigkeit). Hydrophobe Aerogele verändern ihre Eigenschaften beim Kontakt mit Wasser nicht. There are 2 different modifications of aerogels: hydrophilic and hydrophobic. The hydrophilic aerogels shrink on contact with water in the air is preserved (air humidity). Hydrophobic aerogels change their properties not in contact with water.
Diese auf einem Siliciumoxid beruhenden Aerogele sind für Lebewesen untoxisch und würden sich bei Havarie mit der Feuchtigkeit der Luft zu einem Xerogel wandeln. Aerogele wie auch Xerogele werden in der Pharmazie als Medikamententräger eingesetzt. These silica-based aerogels are non-toxic to living things and would change to a xerogel in the event of an accident with the humidity of the air. Aerogels as well as xerogels are used as pharmaceuticals in pharmacy used.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf verschiedenen Wegen eingesetzt werden. The device according to the invention can be used in various ways become.
In der Prozedur A wird der Abtriebskörper am Boden über das Ventil 4 evakuiert, weil am Boden die technischen Vorrichtungen wie Energieversorgung oder Vakuumpumpen einfacher zu installieren sind als im Luftfahrzeug. Da der Feststoff Aerogel gegebenenfalls zu feinen Partikeln zerrieben werden kann, die zwar die erfindungsgemäße Aufgabe nicht beeinträchtigen aber die Vakuumpumpe schädigen könnten, wird eine Filtervorrichtung 3 vorgeschaltet. Als Filter sind alle Feststofffilter verwendbar. Bevorzugt werden die, die ein geringes Eigengewicht haben, da die Filter im Luftfahrzeug mitgeführt werden müssen. Zur Vermeidung eines hohen Druckverlustes ist es ein Vorteil, wenn die Filtervorrichtung rückspülbar ist. Wird das Volumen 1 mit einem hydrophilen Aerogel gefüllt, wird die Filtervorrichtung 3 um eine Adsorptionseinheit für dampfförmiges Wasser ergänzt, da sonst mit einer Beschädigung des Netzwerkes des Aerogels gerechnet werden muss. In procedure A, the driven body on the ground is evacuated via the valve 4 because the technical devices such as energy supply or vacuum pumps are easier to install on the ground than in the aircraft. Since the solid airgel can optionally be ground into fine particles which, although they do not impair the task according to the invention but could damage the vacuum pump, a filter device 3 is connected upstream. All solid filters can be used as filters. Those with a low dead weight are preferred because the filters have to be carried in the aircraft. To avoid a high pressure loss, it is an advantage if the filter device can be backwashed. If the volume 1 is filled with a hydrophilic airgel, the filter device 3 is supplemented by an adsorption unit for vaporous water, since otherwise damage to the network of the airgel must be expected.
Ferner brauchen die technischen Vorrichtungen nicht als zusätzliches Gewicht mitgeführt zu werden. Dann wird nach Schließen des Ventils 4 der Abtriebskörper an Bord des Luftfahrzeugs gebracht. Parallel zum Massenverlust durch Brennstoffbedarf wird der Abtriebskörper mit der gleichen Masse an Luft belüftet. Die Menge errechnet sich nach den Regeln der Thermodynamik. Furthermore, the technical devices need not be carried as an additional weight. Then, after closing the valve 4, the output body is brought on board the aircraft. In parallel to the loss of mass due to fuel requirements, the output body is aerated with the same mass of air. The amount is calculated according to the rules of thermodynamics.
In der Prozedur B wird der Abtriebskörper und die technischen Vorrichtung im Unterschied zur Prozedur A dauerhaft im Luftfahrzeug mitgeführt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass nicht nur der Abtrieb erhöht sondern auch erniedrigt werden kann. Dies ist zum Beispiel dann nötig, wenn das Luftfahrzeug aus Schichten hoher Luftdichte in Schichten niedrigerer Luftdichte fährt. In einer besonderen Variante dieser Prozedur wird das Volumen 1 um das Volumen der Auftriebskörper angeordnet. In procedure B, in contrast to procedure A, the output body and the technical device are carried permanently in the aircraft. This procedure has the advantage that not only the downforce can be increased but also reduced. This is necessary, for example, if the aircraft travels from layers of high air density in layers of lower air density. In a special variant of this procedure, the volume 1 is arranged around the volume of the buoyancy bodies.
In der Prozedur C wird ein evakuierter Abtriebskörper während der Brennstoffaufnahme an Bord des Luftfahrzeugs genommen und der belüftete Abtriebskörper an die Bodenstation abgegeben. In procedure C, an evacuated output body is used during the Fuel is taken on board the aircraft and the ventilated Output body delivered to the ground station.
Die Hülle 2 muss im Gegensatz zu einem Hohlkörper bei vollständiger Evakuierung keine besondere mechanische Festigkeit besitzen, da die Zugkraft auf die Hülle vom in den Abtriebskörper eingebrachten Feststoff aufgenommen wird. Die Hülle soll leicht sein und den Feststoff sicher umschließen. In einer besonderen Ausführungsform kann die Hülle für Luft durchlässig sein, so dass die Diffusion der Luft durch die Hülle zu einer der Massenabnahme äquivalenten Massenzunahme im Abtriebskörper führt. In contrast to a hollow body, the casing 2 does not have to have any particular mechanical strength when the evacuation is complete, since the tensile force on the casing is absorbed by the solid introduced into the driven body. The shell should be light and securely enclose the solid. In a particular embodiment, the sheath can be permeable to air, so that the diffusion of the air through the sheath leads to an increase in mass in the driven body which is equivalent to the decrease in mass.
Insgesamt ist festzuhalten, dass der Abtriebskörper umso geeigneter ist, je geringer seine eigene Masse und je größer das umschlossene Volumen ist. Overall, it should be noted that the lower the output body, the more suitable it is its own mass and the larger the enclosed volume.
Der erfindungsgemäße Abtriebskörper wird so eingesetzt, dass der Massenverlust beispielhaft durch Brennstoffverbrauch durch Belüftung der Vorrichtung aus der Umgebungsluft 5 ausgeglichen wird. Der Massenverlust kann durch eine kontinuierliche Messung oder durch einen Steigflug des Luftfahrzeuges detektiert - werden. The output body according to the invention is used in such a way that the mass loss is compensated for, for example, by fuel consumption by venting the device from the ambient air 5 . The loss of mass can be detected by a continuous measurement or by a climb of the aircraft.
Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Abtriebskörper in Luftfahrzeugen mit statischem Auftrieb und Massenverlust durch Brennstoffverbrauch eingesetzt werden. Solche Luftfahrzeuge sind beispielhaft Zeppeline oder deren heutige Weiterentwicklungen, die Cargo Lifter genannt werden. Diese Luftfahrzeuge würden mitzunehmender Fahrtzeit einen immer größeren Auftrieb durch Massenverlust haben. Können sie diesen Auftrieb während der Fahrt noch durch geeignete Flügel bei erhöhtem Brennstoffverbrauch kompensieren, würde diese Möglichkeit entfallen, wenn sie keine Fahrt durch die Luftmehr machen, um ihrer bestimmungsgemäßen Aufgabe - dem Absetzen einer Last im Stillstand - nachzukommen. Solche Luftfahrzeuge könnten also nach kurzer Fahrt nicht mehr landen, wenn sie nicht - was weniger vorteilhaft ist - ihren Auftrieb durch Veringerrung des Auftriebsvolumens (Ablassen leichter Gase, Rückkompression in Druckgasflaschen) vermindern würden. Hierbei würden aber entweder Gase in die Umgebung entlassen oder es müsste zusätzliche Verdichterarbeit im Luftfahrzeug geleistet werden: Zusätzlich sind schwere Druckgasflaschen mitzuführen, die bei Havarie eine zusätzliche Gefahr bedeuten würden. The output body according to the invention can be particularly advantageous in aircraft used with static buoyancy and mass loss due to fuel consumption become. Such aircraft are examples of zeppelins or their current ones Further developments called cargo lifters. These aircraft would increasing travel time an ever greater buoyancy due to loss of mass to have. You can add this buoyancy while driving through suitable wings compensate for increased fuel consumption, this possibility would be eliminated, if they no longer drive through the air to their intended purpose Task - to put down a load at a standstill. Such Aircraft could not land after a short drive if they did not - what is less advantageous - their buoyancy by reducing the buoyancy volume Reduce (release of light gases, recompression in compressed gas cylinders) would. This would either release gases into the environment or it additional compressor work would have to be done in the aircraft: in addition Carrying heavy compressed gas cylinders, which is an additional danger in the event of an accident would mean.
Mit dem erfindungsgemäßen Abtriebskörper würde ein solches Luftschiff während der Fahrt den Abtriebskörper immer mehr belüften, so dass es seinen Massenverlust genau ausgleichen kann. With the stripping body according to the invention, such an airship would during When driving, ventilate the output body more and more so that it can lose weight can compensate exactly.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll durch ein Beispiel verdeutlicht werden. The use of the device according to the invention is illustrated by an example become.
Ein Luftfahrzeug verbraucht während der Fahrt 1000 kg Treibstoff, diese Masse soll
erfindungsgemäß kompensiert werden. Um dies zu gewährleisten; wird der
Abtriebskörper 1 mit mindestens 1000 kg Luft gefüllt. Mit der Dichte der Luft ρLuft =
1,29 kg/m3 wird ein Volumen der Luft (Vluft) von:
Vluf = mLuft/ρLuft = 1000/1,29 = 775 m3 benötigt.
An aircraft consumes 1000 kg of fuel while traveling, this mass is to be compensated for according to the invention. To ensure this; the output body 1 is filled with at least 1000 kg of air. With the density of the air ρ air = 1.29 kg / m 3 , a volume of air (V air ) of:
V luf = m air / ρ air = 1000 / 1.29 = 775 m 3 required.
Als Füllmaterial wird ein Aerogel mit der Dichte 3 kg/m3 und der Porosität 98% verwendet. Unter Berücksichtigung der Porosität des Aerogels beträgt das Volumen des Aerogels 790,8 m3. Dies entspricht 2370 kg Aerogel. An airgel with a density of 3 kg / m 3 and a porosity of 98% is used as the filling material. Taking into account the porosity of the airgel is the volume of the airgel 790, 8 m 3. This corresponds to 2370 kg of airgel.
In diesem Beispiel ist der Abtriebskörper 1 mit 2370 kg Aerogel gefüllt. In this example, the output body 1 is filled with 2370 kg of airgel.
Claims (16)
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US3672833A (en) * | 1967-11-30 | 1972-06-27 | France Etat | Method of preparing inorganic aerogels |
US4993664A (en) * | 1989-04-24 | 1991-02-19 | Kneeland Howard A | Equilibrium ballast apparatus for lighter-than-air balloons and method for using same |
JPH09207892A (en) * | 1996-02-02 | 1997-08-12 | Daiji Mitsuhiro | Ascent and descent method of airship which utilizes air weight |
-
2002
- 2002-10-18 DE DE10248692A patent/DE10248692A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
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