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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet von Luftfahrzeugen mit Auftrieb bzw.
statischem Auftrieb und deren Betrieb, insbesondere Luftschiffe
zum Heben schwerer und/oder übergroßer Lasten.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von Luftschiffen als Transporter schwerer (z. B. mehrere
Tonnen oder mehr) und/oder übergroßer Lasten ist
lange erwogen worden. Jedoch sind frühere Versuche mit
solchen Luftschiffen nicht zufriedenstellend gewesen. Eine der schwierigsten
Herausforderungen zur Verwendung von Luftschiffen als Transporter
für schwere Lasten sind die großen Fluktuationen
oder Variationen des Gewichts zwischen beladen und unbeladen und
daher des statischen Auftriebs solcher Luftschiffe.
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Ein
Luftschiff wird durch ein Gas leichter als Luft, wie zum Beispiel
Helium oder Wasserstoff mit einem statischen Auftrieb versehen.
Idealerweise sollte ein Luftschiff im allgemeinen einen neutralen statischen
Auftrieb aufweisen (z. B. ist das Gewicht des Luftschiffs gleich
dem statischen Auftrieb des Gases leichter als Luft) und schwebt
daher in der Luft und benötigt nur Leistung, um es durch
die Luft anzutreiben, zusammen mit einem Verfahren zum Regulieren
der Flughöhe. In Wirklichkeit variiert der statische Auftrieb
des Luftschiffs ständig infolge von Faktoren wie Änderungen
der Temperatur und der Treibstofflast. Um sich diesen Äderungen
des statischen Auftriebs anzupassen, kann das Luftschiff, falls
es eine längliche, im allgemeinen ellipsenförmige
oder Zigarrenform aufweist, einen aerodynamischen Auftrieb erzeugen,
entweder wenn es durch die Luft fliegt, ziemlich auf dieselbe Art,
in der Auftrieb durch einen Flügel eines Flugzeug erzeugt
wird, oder durch ge richteten Schub von den Propellern des Luftschiffs. Es
wird sich verstehen, daß andererseits ein sphärisches
Luftschiff, wie jene, die zum Beispiel im
US-Patent Nr. 5,294,076 sowie in den
US-Patenten Anmeldenummer 10/178,345 und
10/718,634 , dargelegt
werden, deren Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen wird, keinen
aerodynamischen Auftrieb erzeugen kann und daher das Aufsteigen
und Absinken durch gerichteten Schub aus den Luftschiffmotoren/Propellern
steuert. Trotz der Fähigkeit auszugleichen, gibt es Grenzen
sowohl dafür, wie schwer Luftschiffe starten als auch wie
leicht sie landen können. Zum Beispiel könnten
einige Luftschiffe, wie jene, die in der Werbung verwendet werden,
200 kg schwer starten und können nach mehreren Stunden
Flug genügend Treibstoff verbrannt haben, so daß sie
beim Landen 100 kg leicht sind. Größere Fluktuationen oder
Variationen des Gewichts oder statischen Auftriebs des Luftschiffs
können durch die Verwendung der oben erwähnten
Mittel nicht überwunden werden.
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Wie
oben erwähnt, gibt es ein Problem des statischen Luftfahrzeugauftriebs,
wenn versucht wird, schwere Lasten von mehr als mehrere Tonnen oder
mehr zu heben. Während Luftschiffe einen erheblichen statischen
Auftrieb aufweisen können (z. B. die positive oder aufwärts
gerichtete statische Auftriebskraft des Traggases) und fähig
sein können, schwere Lasten zu heben, treten Probleme beim
Beladen oder Entladen auf, da das Hinzufügen oder Entfernen
von großen Lasten oder Nutzlasten das Gewicht des Luftschiffs
und daher seinen statischen Auftrieb verändert. Wo zum
Beispiel ein Luftschiff eine 10-Tonnen-Nutzlast trägt,
wird es plötzlich um 10 Tonnen leichter, wenn diese Last
entfernt oder entladen wird. Folglich ist es notwendig gewesen, Mechanismen
bereitzustellen, die Änderung des Gewichts des Luftschiffs
auszugleichen. Zum Beispiel ist ein Lastaustauschsystem vorgeschlagen
worden, wie zum Beispiel das System, das im
US-Patent Nr. 6,231,007 von Schäfer
bereitgestellt wird, dessen Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen
wird, das das entladene Gewicht gegen Wasser, Sand oder irgendein
anderes Ge wicht als Ballast gleichzeitig mit der Nutzlast austauscht,
die entladen wird. Ein solches Lastaustauschsystem kann ein erheblicher Nachteil
sein, wenn Lasten zu Stellen gebracht werden, wo es keine zuverlässige
Versorgung mit Ballastmaterial gibt. Überdies trägt
die Zeit, die benötigt wird, den Ballast zu überführen
und das Luftschiff ruhig zu halten, während die Überführung
stattfindet, zur Komplexität und zu den Kosten eines jeden
solchen Vorgangs bei. Deshalb kann jedes System dieser Art ungünstig
und unpraktisch sein.
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Es
gibt auch Schwierigkeiten, die mit herkömmlicheren Hubluftfahrzeugen,
wie zum Beispiel Hubschraubern verbunden sind. Während
Hubschrauber verhältnismäßig schwere
Lasten heben können, sind sie kompliziert, kostspielig
und treibstoffineffizient. Da ferner Hubschrauber im allgemeinen einen
negativen statischen Auftrieb aufweisen (z. B. ist die Schwerkraft
größer als alle statischen Auftriebs- oder Hubkräfte),
müssen sie außerdem ihr eigenes Gewicht heben.
Zum Beispiel weist der in Rußland gebaute Hubschrauber
Mi-26, der als der leistungsfähigste Hubschrauber der Welt
gilt, ein Leergewicht von 28 Tonnen auf und kann eine Last von 20
Tonnen heben. Als Ergebnis muß dieser Hubschrauber genügend
Leistung haben, um 48 Tonnen zu heben, nämlich das Gesamtgewicht
des Hubschraubers und der Nutzlast. Andererseits sind Luftfahrzeuge,
die leichter als Luft sind, wie Luftschiffe, sehr effiziente Vertikalhubvorrichtungen,
da sie nur Leistung zum Heben der Nutzlast benötigen, da
vorausgesetzt wird, daß das Luftschiff schon einen neutralen
statischen Auftrieb aufweist. Deshalb sind Luftschiffe für
eine gegebene Tragfähigkeit im allgemeinen weniger kostspielig
zu bauen und zu betreiben als Luftfahrzeuge, die schwerer als Luft
sind, wie Hubschrauber.
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Es
sind auch Hybridluftfahrzeuge zum Heben einer schweren Last vorgeschlagen
worden. Ein Hybridluftfahrzeug ist ein Luftfahrzeug, das aus Elementen
besteht, die sowohl von Luftfahrzeugen, die leichter als Luft sind
(„LTA") (z. B. Luftschiffe), als auch von Luftfahrzeugen,
die schwerer als Luft sind („HTA") (z. B. Hubschraubern),
entnommen sind. In den letzten Jahren gibt es ein zunehmendes Interesse
an Hybridluftfahrzeugen, die Elemente von Luftschiffen mit Vortriebselementen
von HTA-Luftfahrzeugen, wie neigbare Propeller und Rotoren kombinieren,
um ein Luftfahrzeug zu schaffen, das darauf abzielt, die Vorteile
beider Typen zu erhalten. Es ist eine Anzahl von Luftschiffgestaltungen
vorgeschlagen worden, die statischen Auftrieb leichter als Luft mit
herkömmlichen Komponenten schwerer als Luft kombinieren.
Ein Beispiel eines solchen Luftschiffs umfaßt das Luftschiff,
das im
US-Patent Nr. 4,591,112 von
Piasecki u. a. beschrieben wird, dessen Inhalt hierin durch Verweis
aufgenommen wird, in dem Vortriebseinrichtungen zu einem Luftschiff,
das leichter als Luft ist, hinzugefügt werden. Die Idee
war, daß ein Luftschiff die Hubschrauber hebt, das ihr Leergewicht
aufhebt, wodurch der gesamte potentielle Auftrieb aus den Hubschraubern
für die Nutzlast freigesetzt wird. Andere Beispiele umfassen
das
US-Patent Nr. 4,052,025 von
Clark u. a.; das
US-Patent Nr.
5,823,468 von Bothe; das
US-Patent
Nr. 4,695,012 und das
US-Patent
Nr. 4,601,444 , beide von Lindenbaum, deren gesamter Inhalt
hierin durch Verweis aufgenommen wird.
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Jedoch
haben solche Hybridluftschiffe keinen Erfolg gehabt. In einem Beispiel,
dem „Piasecki Heli-Stat", verlor das Hybridluftschiff Leistung
und stürzte ab. In einem anderen Beispiel, gelang es dem „CargoLifter"
nicht, ein solches Luftschiff herzustellen, selbst nachdem erhebliche
Kosten angefallen waren.
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Es
wäre vorteilhaft, ein Luftschiff bereitzustellen, das schwere
und/oder übergroße Lasten von mehreren Tonnen
oder mehr heben kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Transportieren
einer Last von einer Ladestelle zu einem erwünschten Ort
mit einem Luftschiff gerichtet, das eine Umkehrschubvorrichtung
aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Betreiben des Luftschiffs
an der Ladestelle, wobei das Luftschiff einen im allgemeinen neutralen
statischen Nettoauftrieb aufweist, wobei der im allgemeinen neutrale
statische Nettoauftrieb von einem positiven statischen Auftrieb
des Luftschiffs und einem umgekehrten Auftrieb aus der Schubvorrichtung
herrührt, der gleich dem positiven statischen Auftrieb
des Luftschiffs ist; (b) Beladen des Luftschiffs des Schritts (a) mit
der Last, so daß das Luftschiff einen negativen statischen
Auftrieb aufweist; (c) Ausüben eines Auftriebs auf das
Luftschiff des Schritts (b) aus der Schubvorrichtung, um den im
allgemeinen neutralen statischen Nettoauftrieb des Luftschiffs aufrechtzuerhalten;
(d) Fliegen des beladenen Luftschiffs des Schritts (c) zum erwünschten
Ort; und (e) Entladen des Luftschiffs des Schritts (c) am erwünschten
Ort.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren
zum Transportieren einer Last von einer Ladestelle zu einem erwünschten
Ort mit einem Luftschiff gerichtet, das eine Umkehrschubvorrichtung
aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Betreiben des Luftschiffs
an der Ladestelle, wobei das Luftschiff einen im allgemeinen neutralen statischen
Nettoauftrieb aufweist, wobei der im allgemeinen neutrale statische
Nettoauftrieb von einem positiven statischen Auftrieb des Luftschiffs
und einem umgekehrten Auftrieb herrührt, der durch Ballast erzeugt
wird; (b) Beladen des Luftschiffs des Schritts (a) mit der Last
und Entladen des Ballasts, so daß das Luftschiff einen
negativen statischen Auftrieb aufweist; (c) Ausüben eines
Auftriebs auf das Luftschiff des Schritts (b) aus der Schubvorrichtung,
um den im allgemeinen neutralen statischen Nettoauftrieb des Luftschiffs
aufrechtzuerhalten; (d) Fliegen des beladenen Luftschiffs des Schritts
(c) zum erwünschten Ort; und (e) Entladen des Luftschiffs
des Schritts (c) am erwünschten Ort.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Verschiedene
Aufgaben, Merkmale und damit verbundene Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden vollständiger erkannt und besser verstanden werden,
wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
betrachtet werden, in denen gleiche Be zugszeichen über
die verschiedenen Ansichten hinweg dieselben oder ähnliche
Teile bezeichnen.
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1(a) und (b) sind Ansichten von der Seite
und von oben einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung
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4 und 5 sind
Seitenansichten einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine Seitenansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Die
Beschreibung, die folgt, und die darin beschriebenen Ausführungsformen
werden zum Zweck der Veranschaulichung eines Beispiels oder von
Beispielen von bestimmten Ausführungsformen der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Diese Beispiele werden
zum Zweck der Erläuterung und nicht der Begrenzung jener
Prinzipien der Erfindung bereitgestellt. In der Beschreibung werden
gleiche Teile durch die Beschreibung und die Zeichnungen hindurch
mit denselben jeweiligen Bezugsziffern markiert. Die Zeichnungen
sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, und in einigen
Fällen können Proportionen übertrieben
sein, um bestimmte Merkmale der Erfindung deutlicher darzustellen.
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Damit
die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, wird
sie nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen die 1 bis 6 Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellen.
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In
der Beschreibung und den Zeichnungen hierin, und falls nicht anders
angegeben, sind die Ausdrücke „vertikal", „lateral"
und „horizontal", Bezugnahmen auf ein kartesisches Koordinatensystem, in
dem sich die vertikale Richtung im allgemeinen in eine „auf
und ab"-Orientierung von unten nach oben (z-Achse) erstreckt, während
sich die laterale Richtung im allgemeinen in eine „links
nach rechts" oder „Seite zu Seite"-Orientierung (y-Achse)
erstreckt. Zusätzlich erstreckt sich die horizontale Richtung
in eine „vorn nach hinten"-Orientierung und kann sich in
eine Orientierung erstrecken, die sich aus der Seite oder in die
Seite erstreckt (x-Achse). Vorn und achtern (und vorderer und hinterer)
sind Ausrücke, die Bezug zur x-Achse haben. Die Schwerkraft
und der statische Auftrieb wirken parallel zur z-Achse.
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Wie
sie in der Beschreibung verwendet werden, werden außerdem
drei Rotationsachsen bezüglich Luftschiffen definiert,
die auf dem Schwerpunkt des Luftfahrzeugs beruhen. Typischerweise
kann die Orientierung eines Luftfahrzeugs durch den Rotationsbetrag
der Teile des Luftfahrzeugs längs dieser drei Achsen definiert
werden. Jede Achse dieses Koordinatensystems ist senkrecht zu den
anderen beiden Achsen. Zum Beispiel ist die Nickachse senkrecht
zur Gierachse und zur Rollachse. Eine Nickbewegung oder „Nicken",
die auch als „Trimm" bezeichnet wird, ist eine Aufwärts-
oder Abwärtsbewegung der Nase und des Hecks des Luftfahrzeugs
längs der z-Achse. Eine Gierbewegung oder „Gieren"
ist eine Bewegung der Nase des Luftfahrzeugs von einer Seite zur
anderen längs der y-Achse. Wenn mit anderen Worten ein
Luftfahrzeugmodell, das auf einer ebenen Fläche angeordnet
ist, um seinen Schwerpunkt gedreht oder geschwenkt wird, würde
es als gierend beschrieben. Eine Rollbewegung oder „Rollen"
ist eine Drehbewegung eines Luftschiffs längs der x-Achse. Wenn
man sich das Luftfahrzeug so vorstellt, daß es eine Hoch-
oder z-Achse, eine Längs- oder x-Achse und eine Quer- oder
y-Achse aufweist, ist Nicken eine Rotation um die y-Achse, ist Rollen
eine Rotation um die x-Achse und ist Gieren eine Rotation um die
z-Achse. Wenn sie zusammen beschrieben werden, wird die Orientierung
eines Luftfahrzeugs typischerweise als „Fluglage" bezeichnet.
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Wie
oben angegeben, wirken die Kräfte der Schwerkraft und des
statischen Auftriebs parallel zur z-Achse. Wie er in der Beschreibung
verwendet wird, bezieht sich der statische Auf trieb auf Kräfte,
die auf ein Objekt wirken (z. B. ein Luftschiff), das in einem Fluid
(z. B. Luft) schwebend gehalten wird, längs oder parallel
zur z-Achse. Insbesondere wird es sich verstehen, daß der
Ausdruck „positiver statischer Auftrieb" sich auf ein Objekt
bezieht, das dazu tendiert, sich längs der z-Achse entgegengesetzt
zur Schwerkraft aufwärts zu bewegen, während der
Ausdruck „negativer statischer Auftrieb" sich auf ein Objekt
bezieht, das dazu tendiert, sich längs der z-Achse längs
der Schwerkraft zu bewegen. Es wird sich verstehen, daß der
Ausdruck „neutraler statischer Auftrieb" sich auf ein Objekt
bezieht, das dazu tendiert, sich nicht längs der z-Achse
entweder in eine positive (z. B. aufwärts gerichtete) Richtung
oder eine negative (z. B. abwärts gerichtete) Richtung
zu bewegen. Der Ausdruck „Auftrieb" bezieht sich auf aufwärts
gerichtete oder statische Auftriebskräfte, die auf ein
Objekt wie ein Luftschiff gegen die oder entgegengesetzt zur Schwerkraft
wirken.
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Es
gibt einen wachsenden Bedarf nach dem vertikalen Heben von großen
Nutzlasten, insbesondere Nutzlasten, die einzelne integrierte Strukturen mit
verhältnismäßig großen Abmessungen
wie zum Beispiel Kraftwerksanordnungen, Kessel, Transformatoren,
Atomkraftwerkskomponenten, vorgefertigte Strukturen, Bohrinseln, Ölgewinnungsanlagen, Windräder
usw. umfassen. Typischerweise betragen diese großen Nutzlasten
mehrere Tonnen, und betragen in vielen Fällen über
20 Tonnen. Andere bedeutende Verwendungen umfassen die Beförderung
von Ladung zwischen Schiff und Ufer, das Bewegen großer
Strukturen wie Brückensegmente und das Transportieren von
Häusern und anderen Gebäuden, die in Fabriken
hergestellt werden, zu spezifischen Stellen, sowie die Unterstützung
von seismischen Prüfungen und einer Bohrstellensanierung.
Dies gilt insbesondere dort, wo das Fehlen von Straßen
solche Arbeiten sehr schwierig oder sehr teuer macht; zum Beispiel
beim Entfernen von Bäumen aus Wäldern, um sie
zu einer Holzabfuhrstelle oder zu einem Sägewerk zu bringen oder
das Transportieren von Anlagen in entfernte Gebiete zur Ölgewinnung.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Luftschiff gerichtet, das imstande
sein wird, schwere oder übergroße Lasten oder
Nutzlasten zu laden und zu entladen. Der Zweck des Luftschiffs der
vorliegenden Erfindung ist es, schwere und/oder übergroße
Lasten mit einer minimalen Infrastruktur am Boden zu heben und zu
transportieren. Dieses Luftschiff wird die Hebelwirkung des positiven
statischen Auftriebs verwenden, um Nutzlasten zu heben und zu transportieren;
wobei ein Bruchteil der Energie verwendet wird, die ein senkrecht
startendes und landendes Luftfahrzeug („VTOL"), wie ein
Hubschrauber für dasselbe Nutzlastgewicht verwenden würde.
Das Luftschiff der vorliegenden Erfindung kann außerdem
imstande sein, weit schwerere Lasten als irgendein existierender
Hubschrauber zu heben.
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Luftschiffe
der vorliegenden Erfindung können eine längliche,
sphärische und zylindrische oder irgendeine andere Form
aufweisen, die mit einem Traggas wie Helium oder Wasserstoff gefüllt
ist. Die Luftschiffe der vorliegenden Erfindung können
starr oder nicht starr sein. Im Gegensatz zu starren Luftschiffen,
die ein inneres Gerippe haben, behalten nicht starre Luftschiffe
ihre Form nur durch den Druck aufrecht, der auf die Innenfläche
einer Hülle durch die Fluide (z. B. Traggas und/oder Luft)
ausgeübt wird, die in der Hülle enthalten sind.
In diesem Fall sind Motoren und Rotoren an Rahmen angebracht, die
an der Oberfläche des Luftschiffs durch Einrichtungen befestigt
sind, die Fachleuten offenkundig sind.
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Eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in den 1a und 1b dargestellt. Ein
Luftschiff 10 kann mit mindestens einem Paar Rotoren 12 ausgestattet
sein. Es wird sich verstehen, daß jede Kombination der
Rotoren, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind,
hierin eingeschlossen ist, wie zum Beispiel zwei oder vier Paare
von Rotoren. Alternativ kann auch ein Rotor eingeschlossen sein,
der fähig ist, die notwendigen Funktionen der vorliegenden
Erfindung auszuführen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform gibt es ein oder zwei
Paare von Rotoren. Es wird sich verstehen, daß der Ausdruck „Rotor"
im allgemeinen ein Rotorsystem, das rotierende Tragflächen,
Blätter, Flügel oder Winglets aufweist, die eingerichtet
sind, eine aufwärts gerichtete oder positive Kraft (z.
B. vertikalen Schub oder Auftrieb) zu erzeugen, und Motor(en) oder
eine Antriebsmaschinenanlage bezeichnet, die imstande ist, die Rotation
der Tragflächen oder Flügel zu erzeugen. Wie aus
den 1a und 1b zu
entnehmen ist, ist jeder der Rotoren 12a und 12b auf
einer Seite angeordnet, die dem anderen Mitglied des Paars 12 gegenüberliegt.
Wie oben erwähnt, wird es sich verstehen, daß jede
Position der Rotoren, einschließlich wo der Rotor in einem
vertikalen Luftkanal von der Oberseite zur Unterseite der Hülle
des Luftschiffs angebracht ist, durch die vorliegende Erfindung
eingeschlossen würde. Die Rotoren 12a und 12b können
zweiblättrige oder mehrblättrige hubschrauberartige
Rotoren sein, die im allgemeinen einen großen Durchmesser
mit einer niedrigen Kreisflächenbelastung aufweisen und
imstande sind, einen starken Schub aus den verwendeten Antriebsmaschinenanlagen
zu erzeugen. Die Rotoren bestehen im allgemeinen aus einer zentralen
Nabe, die als eine Vorrichtung dient, die Blätter zu enthalten.
Es sind mehrere Blätter, Winglets usw. in der Nabe mit entweder
festen oder einstellbaren Steigungswinkeln der Blätter
eingebaut. Die Motoren können Hubkolben-Gas- oder Dieselmotoren,
eine Turbine oder irgendein anderer Typ sein, die die Rotoren direkt
oder durch einen Riemen, eine Kette, ein Getriebe oder einen anderen
Typ einer Untersetzung antreiben. Der (die) Motor(en) könnten
alternativ einen elektrischen Generator(en) antreiben, der wiederum
Elektromotoren versorgt, die die Rotoren direkt oder durch Untersetzungsantrieb(e)
versorgen.
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Wie
in den 1b zu erkennen ist, ist ein Rotor 12a auf
der linken Seite des Luftschiffs angeordnet, wobei das Luftschiff
nach vorn weist, während ein Rotor 12b auf der
rechten Seite des Luftschiffs angeordnet ist. Es wird jedoch sich verstehen, daß dies
lediglich eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist. Wie oben erwähnt, kann jede andere Kombination von
Rotoren, die die hierin angegebenen Anforderungen erfüllen,
ebenfalls durch die vorliegende Erfindung eingeschlossen werden.
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Es
wird sich verstehen, daß während die Figuren,
wie gezeigt, nur längliche oder zigarrenförmige
Luftschiffe darstellen, Luftschiffe der vorliegenden Erfindung eine
längliche, sphärische und zylindrische oder irgendeine
andere Form aufweisen können. Zur Leichtigkeit der Bezugnahme
werden nur die länglichen oder zigarrenförmigen
Luftschiffe gezeigt.
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Andere
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung setzen voraus,
daß die Rotoren auch an einem Rahmen angebracht sein könnten,
der unter dem Luftschiff befestigt ist, wie in 2 dargestellt.
Wie in 2 zu erkennen ist, ist ein Luftschiff 10 vorgesehen,
das einen Rahmen 22 mit Rotoren 16, 18 und 20 aufweist,
die daran angebracht vorgesehen sind.
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Wie
in 1 zu erkennen ist, ist außerdem eine
Vortriebsvorrichtung 14, wie zum Beispiel ein Propeller
zur Erzeugung einer horizontalen Bewegung des Luftschiffs 10 vorgesehen.
Es wird sich verstehen, daß der Ausdruck Propeller, wenn
er hierin verwendet wird, eine Form Rotor bezeichnet, der hauptsächlich
dazu bestimmt ist, einen Vortrieb des Luftfahrzeugs bereitzustellen,
im Gegensatz zu aufwärts gerichteten (z. B. Auftrieb) oder
abwärts gerichteten Kräften; seine Drehachse verläuft
normalerweise parallel zur Längs- oder x-Achse des Luftschiffs. Es
wird jedoch sich verstehen, daß der Vortrieb des Luftschiffs
auch durch zusätzliche (nicht gezeigte) Rotoren bereitgestellt
werden könnte.
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Es
wird sich verstehen, daß die Rotoren 12a und 12b eine
umkehrbare Steigung aufweisen, die einem Fachmann wohlbekannt ist.
Kurz gesagt bezeichnet eine umkehrbare Steigung eine Änderung der
Steigung der Rotorblätter. Mit anderen Worten kann die
Steigung der Rotorblätter, Winglets usw. unter ihren positiven
Winkel oder ihre positive Steigung durch eine flache Steigung gedreht
werden, bis eine erwünschte negative Blattsteigung oder
negativer Winkel erhalten wird. Die Steigung kann zum Beispiel mittels
eines Steigungsänderungsmechanismus gedreht werden, der
hydraulisch betrieben werden kann. Wenn die Blätter mit
einer positiven Steigung gedreht werden, erzeugen die Rotoren einen
positiven oder aufwärts gerichteten vertikalen Schub oder Auftrieb.
Wenn die Blätter der Rotoren so gedreht werden, daß sie
eine negative Steigung aufweisen, erzeugen die Rotoren einen negativen
oder abwärts gerichteten vertikalen Schub, der in die entgegengesetzte
Richtung zum Auftriebsschub wirkt, der erzeugt wird, wenn die Blätter
eine positive Steigung haben. Es wird sich verstehen, daß daher
die Rotoren mit umkehrbarer Steigung entweder einen aufwärts
gerichteten vertikalen Schub (z. B. Auftrieb) oder abwärts
gerichteten vertikalen Schub (z. B. umgekehrten Auftrieb) erzeugen
können.
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Als
Alternative können die Rotoren durch Elektromotoren betrieben
werden, die umkehrbar sind, um die Drehrichtung der Rotorblätter
einzustellen, wobei in eine Drehrichtung ein aufwärts gerichteter
vertikaler Schub (z. B. Auftrieb) oder in die andere Drehrichtung
ein (abwärts gerichteter) negativer Auftrieb erzeugt wird.
Noch eine andere Konfiguration ist mit vertikalen Luftkanälen
(die im allgemeinen in ihrer Form zylindrisch sind und an beiden
Enden offen sind) durch das Luftschiff gestaltet, wie in 3 dargestellt,
und stellt dar, daß ein Rotor innerhalb der vertikalen
Luftkanäle angebracht sein kann. Wie in 3 zu
erkennen ist, sind mehrere vertikale Luftkanäle 24 und 26 vorgesehen,
die sich durch das Luftschiff 10 erstrecken. In den vertikalen
Luftkanälen 24 und 26 sind Rotoren 28 und 30 vorgesehen.
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Alternativ
können die Rotoren mit oder ohne Luftkanäle mit
einem Rahmen an der Hülle angebracht sein. Die 1 und 2 stellen
Seitenansichten der Rotoren ohne Luftkanäle dar, die an
einem Rahmen befestigt sind. Die Rotoren können mit oder
ohne Luftkanäle in einem Rahmen an der Hülle angebracht
sein, wie in 2 gezeigt. Es wird sich verstehen,
daß jede Kombination der Luftkanäle und/oder Rahmen
in der vorliegenden Erfindung erwogen wird.
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In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung würde
das Luftschiff wie folgt betrieben. Vor dem Beladen der Nutzlast
ist das Luftschiff 10 so konfiguriert, daß es
einen „positiven" statischen Auftrieb aufweist (z. B. würde
das Luftschiff dazu neigen, zu steigen oder aufwärts zu
schweben, wenn keine abwärts gerichtete Kraft darauf ausgeübt
wird). Wie im folgenden erwähnt wird, kann dieser positive
statische Auftrieb als der „Hebelauftrieb" bezeichnet werden.
Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet der Ausdruck „Hebelauftrieb"
den Betrag des Auftriebs, der auf eine Last oder Nutzlast ausgeübt
wird, der auf den positiven statischen Auftrieb des Luftschiffs
zurückzuführen ist oder aus ihm hervorgeht, wenn
die Last am Luftschiff befestigt wird, bevor ein Auftrieb von den
Rotoren ausgeübt wird. Der Grad, mit dem das Luftschiff
einen positiven statischen Auftrieb aufweisen wird, wird von der
Beschaffenheit der Nutzlast abhängen. Zum Beispiel kann
bei einer bevorzugten Ausführungsform der Hebelauftrieb
gleich 50% des Gewichts oder der abwärts gerichteten Kraft
(z. B. umgekehrten Auftrieb) der Nutzlast betragen. Es wird sich
verstehen, daß der Hebelauftrieb abhängig von der
Beschaffenheit der Last größer oder kleiner als 50%
sein kann. Es wird sich daher ferner verstehen, daß jeder
Betrag oder Grad des positiven statischen Auftriebs oder Hebelauftriebs
durch die vorliegende Erfindung eingeschlossen sein kann.
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Als
Ergebnis des positiven statischen Auftriebs des Luftschiffs gibt
es einen Auftrieb (z. B. eine aufwärts gerichtete vertikale
Kraft), die auf das Luftschiff wirkt (siehe 4). Um einen
im allgemeinen neutralen statischen Auftrieb des Luftschiffs aufrechtzuerhalten
(z. B. steigt oder sinkt das Luftschiff nicht), üben (nicht
gezeigte) Rotoren 12a und 12b einen umgekehrten
Auftrieb (z. B. einen abwärts gerichteten vertikalen Schub)
aus, der gleich der aufwärts gerichteten Kraft ist, die
auf das Luftschiff infolge seines positiven statischen Auf triebs
wirkt (siehe 4). Als Ergebnis des umgekehrten
Auftriebs, der auf das Luftschiffe durch die Rotoren 12a und 12b ausgeübt wird,
wird das Luftschiff 10 im allgemeinen einen neutralen statischen
Auftrieb aufweisen.
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Es
sollte beachtet werden, daß der statische Auftrieb des
Luftschiffs ständig infolge von Faktoren wie Änderungen
der Temperatur und der Treibstofflast variiert. Zum Beispiel könnten
heutige herkömmliche Werbeluftschiffe 200 kg schwer starten
und können nach mehreren Stunden Flug genügend
Treibstoff verbrannt haben, so daß sie beim Landen 100 kg
leicht sind. Im regulären Ablauf des Betriebs eines Luftschiffs,
das „leicht" ist (z. B. weist das Luftschiff einen positiven
statischen Auftrieb auf, da die aufwärts wirkende Auftriebskraft
des Traggases größer als die abwärts
wirkende Kraft infolge des Gewichts des Luftschiffs ist), muß eine
gewisse Art einer abwärts gerichteten Kraft eingesetzt
werden, um eine Position auf einer spezifischen Flughöhe
zu halten oder zu sinken. Diese abwärts wirkende Kraft,
die aus einem gerichteten Schub oder aus schwenkbaren Rotoren stammen
kann, ist lediglich eine Steuerkraft. Diese Steuerkräfte
können jedoch nicht verwendet werden, um schwere oder übergroße
Objekte zu heben, wie jene, die hierin erwähnt werden,
was folglich diese Steuermanöver oder Steuerkräfte
vom Hebelauftrieb der vorliegenden Erfindung unterscheidet. Große
Variationen des Gewichts eines Luftschiffs, die auf große
oder übergroße Lasten zurückzuführen
sind, können durch die Verwendung der oben erwähnten
Mittel nicht überwunden werden. Als Ergebnis unterscheiden
sich die kleinen Steuerkräfte, die auf Luftschiffe ausgeübt
werden, um geringe Unterschiede des statischen Auftriebs auszugleichen,
vom Hebelauftrieb, der auf den positiven statischen Auftrieb zurückzuführen
ist, um schwere oder übergroße Lasten zu heben,
wie hier beschrieben.
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Nach
dem Beladen des Luftschiffs 10 mit einer Nutzlast, die
ein Gewicht (z. B. eine abwärts wirkende Kraft) aufweist,
die größer als der Auftrieb ist, der auf das Luftschiff
infolge seines positiven statischen Auftriebs wirkt, wird das Luft schiff
dann einen „negativen" statischen Nettoauftrieb aufweisen
(z. B. würde das Luftschiff dazu neigen, abwärts
zu fallen oder zu sinken) wenn keine Kraft auf es ausgeübt würde
(siehe 5). Dieser negative statische Nettoauftrieb wird
aus der abwärts gerichteten Nettokraft (z. B. Gewicht)
der Nutzlast herrühren. Die abwärts gerichtete
oder negative Nettokraft, die auf das Luftschiff wirkt, wird die
Differenz zwischen der aufwärts gerichteten Kraft (z. B.
Auftrieb) des Luftschiffs mit positivem statischen Auftrieb und
dem Gewicht oder der abwärts wirkenden Kraft der Nutzlast
sein.
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Um
den neutralen statischen Nettoauftrieb des Luftschiffs 10 aufrechtzuerhalten,
können die Rotoren 12a und 12b verwendet
werden, um einen Auftrieb zu erzeugen, der gleich der abwärts
gerichteten oder negativen Nettokraft des Luftschiffs ist (siehe 5).
Zum Beispiel könnte die Steigung der Rotoren umgekehrt
werden oder die Drehrichtung der Rotoren könnte geändert
werden, um eine aufwärts gerichtete Kraft auf das Luftschiff
auszuüben, die gleich der abwärts gerichteten
oder negativen Nettokraft des Luftschiffs ist, das nun einen negativem
statischen Auftrieb aufweist. Als Ergebnis des aufwärts gerichteten
vertikalen Schubs der Rotoren, der auf das Luftschiff ausgeübt
wird, wird das Luftschiff einen neutralen statischen Nettoauftrieb
aufweisen. Sobald es beladen ist, kann das Luftschiff dann die Last
zum erwünschten Ort transportieren.
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Es
wird sich verstehen, daß das Entladen des Luftschiffs 10 natürlich
das Umgekehrte sein wird.
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Erfindungsgemäß wird
nur ein Anteil des Gewichts der Nutzlast durch den Auftrieb getragen,
der durch die Rotoren erzeugt wird. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden 50% der abwärts gerichteten
Kraft (z. B. des umgekehrten Auftriebs), die durch die Nutzlast
erzeugt wird, durch den Auftrieb getragen, der durch die Rotoren
erzeugt wird. Die aufwärts gerichtete Kraft des Luftschiffs
mit positivem statischen Auftrieb vor dem Beladen ist auch für
das Tragen eines Anteils der Nutzlast (z. B. 50%) verantwortlich.
Als Ergebnis kann eine schwerere Nutzlast durch Luftschiffe getragen
werden, die herkömmliche Rotoren aufweisen. Mit anderen
Worten ist es nur notwendig, daß Rotoren vorhanden sind,
die imstande sind, den aufwärts gerichteten vertikalen
Schub oder Auftrieb zu erzeugen, der gleich der abwärts
gerichteten Kraft des Luftschiffs mit negativem statischen Auftrieb
nach dem Beladen ist. Der erzeugte Schub wird kleiner als das Gewicht oder
die abwärts gerichtete Kraft der Nutzlast sein. Daher können
schwerere Nutzlasten mit der gegenwärtig existierenden
Rotortechnik getragen werden. Alternativ können schwerere
Nutzlasten durch kleinere Rotorsysteme getragen werden, was zu erheblichen
Treibstoffkosteneinsparungen führen kann.
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Es
wird sich verstehen, daß jede Konfiguration von Rotoren
und Propellern, die notwendig ist, die aufwärts gerichteten,
abwärts gerichteten und vorwärts gerichteten Kräfte
oder den Schub zu erreichen, wie oben erwähnt, durch die
vorliegende Erfindung eingeschlossen ist.
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Die 4 und 5 zeigen
ein Beispiel der vorliegenden Erfindung im Betrieb mit einer Last
oder Nutzlast 32, die ein Gewicht oder eine abwärts
gerichtete Kraft aufweist, die gleich 10 metrischen Tonnen ist.
Es wird sich jedoch verstehen, daß Nutzlasten jeder Größe
durch ein Luftschiff geeigneter Größe transportiert
werden könnten, das durch Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung gehoben wird. Wenn das Luftschiff zum Beispiel
eine Last von 10 Tonnen transportieren soll, fliegt das Luftschiff 10 in
das Ladegebiet 5 Tonnen „leicht" (wobei es z. B. einen
im allgemeinen positivem statischen Auftrieb aufweist), wobei es
seine Flughöhe durch Regulieren des abwärts gerichteten
Schubs (d. h. umgekehrten Auftriebs) aus den Rotoren 12a und 12b steuert, während
der Propeller 14 für einen Vorwärtsschub sorgt
(siehe 4). Nachdem das Luftschiff 10 die Nutzlast 32 von
10 Tonnen aufnimmt und die Leistung aus den Rotoren im Leerlauf
laufen läßt, wird das Luftschiff dann die Hälfte
der Last (z. B. 5 metrische Tonnen) mit seinem statischen Auftrieb
heben (siehe 5), somit „Hebelauftrieb".
Das Luft schiff 10 weist jedoch immer noch einen negativen
statischen Auftrieb von 5 Tonnen auf. Wenn die Rotoren 12a und 12b für
einen aufwärts gerichteten Schub oder Auftrieb hochgefahren
werden, wird das Luftschiff 10 die anderen 5 Tonnen heben
und transportiert eine Last von 10 Tonnen, wobei die Motor/Rotorleistung
nur für 5 Tonnen verwendet wird. Mit anderen Worten hebt
das Luftschiff der vorliegenden Erfindung eine Nutzlast von 10 Tonnen,
wobei nur die Kraft verwendet wird, die notwendig ist, eine aufwärts gerichtete
Kraft oder einen Auftrieb zu erzeugen, der zu 5 Tonnen äquivalent
ist.
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Nutzlasten
können untergehängt, an einer Winde(n) hängen
oder sogar in einem Frachtraum 34 innerhalb des Luftschiffs
untergebracht werden, wie in 6 dargestellt
wird.
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In
einer anderen Ausführungsform könnte das Luftschiff 10 eher
einen im allgemeinen neutralen statischen Auftrieb vor dem Beladen
der Nutzlast als einen positiven statischen Auftrieb aufweisen,
wie er in der vorhergehenden Ausführungsform vorgesehen ist.
Der neutrale statische Auftrieb könnte vom Vorhandensein
eines Ballasts herrühren, wie zum Beispiel eines Wasserballasts.
Die Menge des Ballasts könnte beruhend auf den Eigenschaften
der Nutzlast festgelegt werden, wie oben erwähnt. Mit anderen Worten
wird die Menge des Ballasts zu dem durch den Piloten erwünschten
Betrag äquivalent sein, um den das Luftschiff beim Fehlen
des Ballasts oder der Nutzlast einen positiven statischen Auftrieb
aufweist. Wie oben erwähnt, wird der Grad, in dem das Luftschiff
einen positiven statischen Auftrieb aufweisen wird, schließlich
von der Beschaffenheit der Nutzlast abhängen, wie oben
erwähnt. In dieser Ausführungsform weist das Luftschiff
als Ergebnis des Ballasts, der bis zu mindestens 50% des Gewichts
der Nutzlast äquivalent ist, einen neutralen statischen
Auftrieb auf. Als Ergebnis des neutralen statischen Auftriebs des
Luftschiffs gibt es keine aufwärts gerichtete Kraft oder
Auftrieb, der auf das Luftschiff wirkt. Daher brauchen die Rotoren 12a und 12b keine
abwärts gerichtete Kraft oder umgekehrten Auftrieb auf
das Luftschiff ausüben; dieser ist durch die abwärts
gerichtete Kraft des Ballasts ersetzt worden, die auf das Luftschiff
wirkt. Als Ergebnis der abwärts gerichteten Kraft, die
durch den Ballast auf die Luftschiffe ausgeübt wird, wird
das Luftschiff im allgemeinen einen neutralen statischen Auftrieb
aufweisen.
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Nach
dem Beladen der Luftschiffs 10 mit einer Nutzlast kann
der Ballast entfernt werden, wobei folglich eine aufwärts
gerichtete Kraft erzeugt wird, die äquivalent zum Gewicht
(z. B. abwärts gerichteten Kraft) des entfernten Ballasts
ist. Als Ergebnis gibt es immer noch eine „Hebelwirkung"
infolge der aufwärts gerichteten Kraft, sobald der Ballast
entfernt ist. Während Wasser der bevorzugte Ballast ist,
wird es sich verstehen, daß andere Materialien als Ballast verwendet
werden könnten, wie Sand usw. Jedoch ist das Endresultat,
daß es infolge der Nutzlast eine abwärts gerichtete
Gesamtkraft geben wird, die durch den Rotorauftrieb ausgeglichen
werden wird, wie im folgenden erwähnt.
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In
dieser Ausführungsform wird der Betrieb nach dem Beladen
derselbe wie im vorhergehenden Beispiel sein. Um einen neutralen
statischen Nettoauftrieb des Luftschiffs 10 aufrechtzuerhalten,
können die Rotoren 12a und 12b die Steigung
umkehren oder die Drehrichtung ändern, um eine aufwärts
gerichtete Kraft auf das Luftschiff auszuüben, die gleich der
abwärts gerichteten Kraft des nun mit negativem Auftrieb
versehenen Luftschiffs ist (z. B. das Luftschiff mit der Nutzlast
und ohne den Ballast). Die Last kann zum erwünschten Ort
transportiert werden. Beim Entladen kehren die Rotoren einfach den Schub
um, um das Luftschiff mit positivem statischen Auftrieb auszugleichen.
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Es
sind nun verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im
Detail beschrieben worden. Da Änderungen an und oder Hinfügungen
zu der oben beschriebenen besten Art vorgenommen werden können,
ohne die Natur, den Geist oder Rahmen der Erfindung zu verlassen,
ist die Erfindung nicht auf jene Details zu beschränken,
sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.
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Zusammenfassung
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Luftschiff zum Heben schwerer Lasten & Betriebsverfahren
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet von Luftfahrzeugen mit statischen
Auftrieb und deren Betrieb, insbesondere Luftschiffe zum Heben schwerer und/oder übergroßer
Lasten. Erfindungsgemäß wäre es vorteilhaft,
ein Luftschiff bereitzustellen, das schwere und/oder übergroße
Lasten von mehreren Tonnen oder mehr anheben kann. Die vorliegende Erfindung
ist auf ein Luftschiff gerichtet, das fähig sein wird,
schwere oder übergroße Lasten oder Nutzlasten
zu laden und zu entladen. Der Zweck des Luftschiffs der vorliegenden
Erfindung ist es, schwere und/oder übergroße Nutzlasten
zu transportieren oder als ein fliegender Kran zu dienen, der eine
minimale Infrastruktur am Boden benötigt. Das Luftschiff der
vorliegenden Erfindung verwendet die Hebelwirkung eines positiven
statischen Auftriebs, um Nutzlasten zu heben und zu transportieren;
wobei ein Bruchteil der Energie verwendet wird, die ein senkrecht
startendes und landendes Luftfahrzeug („VTOL"), wie ein
Hubschrauber für dasselbe Nutzlastgewicht verwenden würde.
Das Luftschiff der vorliegenden Erfindung kann außerdem
imstande sein, weit schwerere Lasten als irgendein existierender Hubschrauber
zu heben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5294076 [0003]
- - US 10/178345 [0003]
- - US 10/718634 [0003]
- - US 6231007 [0004]
- - US 4591112 [0006]
- - US 4052025 [0006]
- - US 5823468 [0006]
- - US 4695012 [0006]
- - US 4601444 [0006]