FR1272678A | 1961-09-29 | |||
US5655616A | 1997-08-12 | |||
US3208543A | 1965-09-28 | |||
US3219134A | 1965-11-23 | |||
US3106260A | 1963-10-08 | |||
US3117643A | 1964-01-14 | |||
US3887030A | 1975-06-03 |
Patentansprüche : 1. Luftkissenfahrzeug umfassend einen Fahrzeugkörper (2) mit einem Fahrzeugboden (3) und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens (3) erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens (9) unterhalb des Fahrzeugbodens (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs eine Vielzahl von gesondert ansteuerbaren Strömungsmaschinen (11,13,16) umfasst, die zur Ausbildung voneinander verschiedener ümfangsabschnitte des Luftvorhangs angeordnet sind. 2. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschinen (11,13,16) zur voneinander unabhängigen, stufenlosen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet sind. 3. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich entlang des Fahrzeugbodenrandes erstreckender Strömungsspalt (10,12,14,15) zur Ausbildung des Luftvorhangs vorgesehen ist, wobei die Druckseiten der Strömungsmaschinen (11,13,16) mit voneinander verschiedenen Umfangsabschnitten des Strömungsspalts (10,12,14,15) in Strömungsverbindung stehen . 4. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsspalt (10,12,14,15) in Strömungsrichtung gesehen einen ersten Abschnitt mit sich verringerndem Strömungsquerschnitt und einen zweiten Abschnitt mit sich vergrößerndem Strömungsquerschnitt umfasst . 5. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschinen (11.13.16) jeweils einen elektrisch antreibbaren Rotor, vorzugsweise Propeller, umfassen. 6. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung wenigstens eines zweiten sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens (3) erstreckenden Luftvorhangs vorgesehen ist, sodass wenigstens zwei parallele bzw. konzentrische Luftvorhänge, vorzugsweise unter Verwendung von wenigstens zwei parallelen bzw. konzentrischen Strömungsspalten (11.13.16), erzeugbar sind. 7. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungsspalt (11,13,16) benachbart wenigstens ein Leitkörper (17) zur Rückgewinnung von Luft aus dem Luftvorhang angeordnet ist. 8. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Einzelansteuerung der Strömungsmaschinen (11,13,16) und wenigstens ein Positrons- und/oder Lagesensor vorgesehen sind, dessen Sensorsignale der Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Strömungsmaschinen (11,13,16) in Abhängigkeit von den Sensorsignalen anzusteuern. 9. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schubaggregat (6) zum Vortrieb des Fahrzeugkörpers (2) vorgesehen ist. 10. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schubaggregat (6) eine Mehrzahl von gesondert ansteuerbaren schuberzeugenden Elementen, insbesondere Strömungsmaschinen (7,7'), umfasst, deren Schubachsen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. 11. Luftkissenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1), insbesondere der Fahrzeugkörper (2) wenigstens ein Tragflächenprofil zur Erzeugung eines Auftriebs aufweist. 12. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkörper (2) in der Längsmittelebene einen tragflächenartigen Querschnitt aufweist . 13. Luftkissenfahrzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) als Nurflügler ausgebildet ist. |
Die Erfindung betrifft ein Luftkissenfahrzeug umfassend einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens.
Es gibt eine Vielzahl von Fortbewegungsmitteln, die sich aufgrund von Druckunterschieden im Raum bewegen können, z.B. Flugzeuge mit Tragflügeln für den Auftrieb,
Luftkissenboote mit Überdruck unter dem Fahrzeug sowie Bodeneffektfluggeräte. Doch kein Fortbewegungsmittel vereint die verschiedenen Eigenschaften dieser Geräte so in sich, dass es einerseits straßenverkehrstauglich ist und andererseits ohne Räder, Fahrwerk oder andere Hilfsmittel auskommt, die sich durch ihr Gewicht negativ auf die
Flugeigenschaften auswirken. Um straßenverkehrstauglich zu sein, ist eine sehr präzise Steuerung des Fahrzeuges erforderlich, denn die räumliche Lage muss in Bodennähe auf max . +/—0 , 1 m genau reguliert werden können, um am
Straßenverkehr teilnehmen zu können.
Es ist kein Fahrzeug bekannt, welches die Vorteile eines Flugzeugs mit denen eines Automobils kombiniert und das präzise genug ohne Bodenkontakt im Straßenverkehr gesteuert werden kann. Der Nachteil von Fahrzeugen mit Rädern ist bekannt. Einerseits erzeugen solche Fahrzeuge einen
Rollwiderstand, andererseits müssen die Räder der
Fahrzeuge, wenn diese sich mit höheren Geschwindigkeiten fortbewegen können sollen, aufwendig gelagert und gedämpft werden, um die Unebenheiten der Straße aufzunehmen. Flugzeuge sind sehr effizient im Luftraum, eignen sich jedoch nicht für den Straßenverkehr. Darum ist das
Reiseziel mit einem Flugzeug meistens nicht direkt
erreichbar, sondern lediglich über Umwege, wobei ein
Umsteigen von einem anderen oder auf ein anderes
Verkehrsmittel erforderlich ist. Luftkissenfahrzeuge und Bodeneffektfahrzeuge lassen sich nur ungenau steuern, weshalb sie sich für den Straßenverkehr nicht eignen. Zudem können sich Luftkissenfahrzeuge und Bodeneffektfahrzeuge vom Boden nicht lösen, da für sie ein Überdruck zwischen Boden und Fahrzeug zwingend notwendig ist.
Bei Luftkissenfahrzeugen sind grundsätzlich zwei
verschiedene Bauarten bekannt, mit denen ein Luftüberdruck unterhalb des Fahrzeugbodens erzeugt werden kann. Bei der einen Bauart ist unter dem Fahrzeug eine offene Luftkammer vorgesehen, ' die ein relativ großes Volumen aufweist und der die Luft unter einem niedrigen Druck zug.eführt wird. Die Luftkammer wird seitlich von einer flexiblen Schürze umgeben und begrenzt, die zusammen mit der Unterseite des Fahrzeuges eine unten offene Kammer bildet. Bei der anderen Bauart ist ein sich um den Umfang des Fahrzeugs bzw.
Fahrzeugbodens herum oder nahe desselben umlaufender
Schlitz oder eine Düse vorgesehen, die unter relativ hohem Druck einen nach unten und nach innen gerichteten
Luftvorhang erzeugt, um den Luftpolster aufrechtzuerhalten. Die offene Luftkammer hat den Vorteil, dass sie einfach äufgebaut ist. Die Bauweise mit Luftvorhang ist im
allgemeinen insofern wirkungsvoller, als weniger Luft verloren geht, sie erfordert aber einen viel
komplizierteren Aufbau. In jedem Fall muss hinreichend viel Luft kontinuierlich nachgeliefert werden, um den Druck unter dem Fahrzeug aufrechtzuerhalten, damit dieses von der tragenden Oberfläche angehoben wird, und um die Luft zu ersetzen, die am Umfang der Unterseite des Fahrzeugs verloren geht.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein
Luftkissenfahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass einerseits eine präzise Steuerung der räumlichen Lage des Fahrzeuges in Bodennähe und
andererseits auch eine bodenferne Fortbewegung ermöglicht werden .
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Luftkissenfahrzeug der eingangs genannten Art, welches einen Fahrzeugkörper mit einem Fahrzeugboden und wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens erstreckenden Luftvorhangs zur Ausbildung und/oder zum Aufrechterhalten eines Luftkissens unterhalb des Fahrzeugbodens umfasst, vor, dass die
Einrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs eine Vielzahl von gesondert ansteuerbaren Strömungsmaschinen umfasst, die zur Ausbildung voneinander verschiedener Umfangsabschnitte des Luftvorhangs angeordnet sind. Durch die gesonderte Ansteuerung der Vielzahl von Strömungsmaschinen gelingt eine lokale Variierung bzw. Einstellung der Schubkraft des Luftvorhangs .
Dadurch, dass die Schubkraft des Luftvorhangs lokal
variiert werden kann, wird eine überaus genaue Steuerung der räumlichen Lage des Fahrzeugs gewährleistet. Dies ermöglicht einerseits eine präzise Positionskontrolle im Schwebezustand des Fahrzeugs auf dem Luftkissen, indem beispielsweise Lenkbewegungen oder Korrekturbewegungen zur Einhaltung einer vordefinierten Position durch Einstellung einer bestimmten Schubdifferenz zwischen gegenüber
liegenden Stellen des Luftvorhangs vorgenommen werden.
Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung ein Abheben vom bodennahen Bereich, z.B. auf eine Höhe von > 5 m über dem Boden, indem der von den den Luftvorhang erzeugenden Strömungsmaschinen erzeugte Schub entsprechend erhöht wird, wobei die erforderliche Stabilisierung des Fahrzeugs in der Luft wiederum durch die lokale Anpassung der Schubkraft des Luftvorhangs erreicht wird.
Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass eine
Steuereinrichtung zur Einzelansteuerung der
Strömungsmaschinen und wenigstens ein Positions- und/oder Lagesensor vorgesehen sind, dessen Sensorsignale der
Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die
Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die
Strömungsmaschinen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen anzusteuern. Der wenigstens eine Positions- und/oder
Lagesensor kann einen optischen Sensor, einen Ultraschall- Sensor, GPS-Signalempfänger und/oder
Beschleunigungssensoren umfassen. Mit solchen Sensoren lassen sich bereits kleinste Verschiebungen zwischen Soll- und Ist-Zustand in x- und y-Richtung zwischen dem Fahrzeug und dem Untergrund feststellen und die Lage des Fahrzeugs dementsprechend über eine lokale Veränderung des Schubes des Luftvorhangs korrigieren. Die erforderliche
Schubdifferenz des Luftvorhangs wird automatisch aufgrund von Sensordaten berechnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung sind die
Strömungsmaschinen zur voneinander unabhängigen,
stufenlosen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet. Dadurch wird eine möglichst feine Einstellung des von jeder einzelnen Strömungsmaschine erzeugten Schubes erreicht .
In konstruktiv besonders vorteilhafter Weise kann ein sich entlang des Fahrzeugbodenrandes erstreckender
Strömungsspalt zur Ausbildung des Luftvorhangs vorgesehen sein, wobei die Druckseiten der Strömungsmaschinen mit voneinander verschiedenen ümfangsabschnitten des
Strömungsspaltes in Strömungsverbindung stehen. Jede
Strömungsmaschine ist somit einem bestimmten
Umfangsabschnitt des Strömungsspaltes zugeordnet und erzeugt den dort jeweils gewünschten Schub. Die
Strömungsmaschinen müssen hierbei nicht notwendigerweise unmittelbar am jeweiligen Umfangsabschnitt positioniert sein, sondern können auch an einer davon entfernten
Position angeordnet sein, wobei die Druckseite dann über entsprechende Strömungskanäle mit dem Umfangsabschnitt verbunden ist. Je größer die Anzahl der Strömungsmaschinen gewählt ist, desto kürzer ist der jeder Strömungsmaschine zugeordnete Umfangsabschnitt und desto genauer lassen sich die gewünschten Schubkräfte entlang des Umfangs des
Fahrzeugs positionieren. Bevorzugt erstreckt sich jeder Umfangsabschnitt über eine Länge von < 50 cm, bevorzugt < 30 cm .
Der genannte Strömungsspalt kann als über den gesamten Rand bzw. Umfang des Fahrzeugs durchgehender, nicht
unterbrochener Spalt ausgebildet sein oder es können die einzelnen Umfangsabschnitte des Strömungsspaltes
beispielsweise durch die Anordnung von Stegen voneinander baulich getrennt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung können zwei oder mehrere umlaufende Strömungsspalte parallel bzw. konzentrisch angeordnet sein, über welche jeweils Luft ausgestoßen werden, sodass zwei bzw. mehrere parallele Luftvorhänge erzeugt werden, wobei je Luftvorhang ein geringeres
Druckgefälle vorherrscht, wodurch die
Strömungsgeschwindigkeiten reduziert werden können.
Die individuelle Einsteilbarkeit des Schubs in jedem
Umfangsabschnitt kann vorzugsweise dazu genutzt werden, um ein gewünschtes Drehmoment auf das Fahrzeug aufzubringen, indem z.B. auf der linken Seite des Fahrzeugs ein größerer Schub eingestellt wird als auf der rechten Seite. Das
Drehmoment bewirkt im gewünschten Ausmaß eine
Schrägstellung des Fahrzeugs relativ zum Untergrund, wodurch die vom Luftkissen auf das Fahrzeug wirkende Kraft eine Seitwärtsbewegung des Fahrzeugs bewirkt. Auf diese Weise kann eine Positionsveränderung in jede beliebige Richtung erfolgen.
Bevorzugt können Mittel zur Verstellung des von den
einzelnen Strömungsmaschinen erzeugten Schubvektors
vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von verstellbaren Leiteinrichtungen, insbesondere Leitflächen, oder durch eine Verschwenkung der Strömungsmaschine
erfolgen. Die Verstellung der Schubvektoren erlaubt
zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten, insbesondere die
Einstellung bzw. Verstellung der Fahrtrichtung.
Um mit einem möglichst geringen Luftstrom eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit und dadurch einen großen Schub zu erzeugen, kann ein düsenartiger Querschnitt des
Strömungsspaltes vorgesehen sein, wobei der Strömungsspalt in Strömungsrichtung gesehen bevorzugt einen ersten
Abschnitt mit sich verringerndem Strömungsquerschnitt und einen zweiten Abschnitt mit sich vergrößerndem
Strömungsquerschnitt umfasst.
In bevorzugter Weise umfassen die Strömungsmaschinen jeweils einen elektrisch antreibbaren Rotor, vorzugsweise Propeller. Der elektrische Antrieb erlaubt in einfacher Weise eine stufenlose Änderung der Drehzahl mittels einer elektronischen Steuervorrichtung .
Wenn, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung entspricht, dem Strömungsspalt benachbart wenigstens ein Leitkörper zur Rückgewinnung von Luft aus dem Luftvorhang angeordnet ist, kann der Anteil der Luft, die seitlich des Fahrzeugbodens wegströmt minimiert werden, was einerseits den Bedarf an aus der Umgebung neu zugeführter Luft verringert und andererseits die unerwünschte Winderzeugung in der Umgebung des Fahrzeugs vermeidet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die rückgewonnene Luft rezirkuliert, d.h. erneut dem Luftvorhang zugeführt wird. Für die Luftrückgewinnung kann ein umlaufender Strömungsspalt vorgesehen sein, der
parallel zu dem den Luftvorhang erzeugenden Strömungsspalt und bevorzugt radial außerhalb desselben angeordnet ist. Über den inneren Strömungsspalt wird hierbei Luft
ausgestoßen, um den Luftvorhang zu erzeugen, und über den äußeren Strömungsspalt wird die ausgestoßene Luft zumindest teilweise eingesaugt. Eine solche Luftumwälzung kann eine turbulente Strömung erzeugen, die zur Entstehung und
Aufrechterhaltung des gewünschten Überdrucks unterhalb des Fahrzeugbodens beiträgt. Weiters kann die turbulente
Strömung dazu führen, dass die Luft in Umfangsrichtung des Luftvorhangs verteilt wird, was wiederum die Möglichkeit bietet, die Anzahl der Strömungsmaschinen zu reduzieren.
Bevorzugt kann die aus Strömungsspalt und zugeordnetem Rückführungsspalt bestehende Anordnung auch mehrstufig vorgesehen sein. Es sind dann zumindest vier parallel bzw. konzentrisch angeordnete Luftspalte vorgesehen, nämlich von innen nach außen gesehen zuerst ein den ersten Luftvorhang erzeugender Strömungsspalt, dann ein diesem zugeordneter erster Rückführungsspalt, dann ein den zweiten Luftvorhang erzeugender Strömungsspalt und schließlich ein diesem zugeordneter zweiter Rückführungsspalt. Die Erzeugung von zwei oder mehreren Luftvorhängen mit jeweiliger
Luftrückführung bewirkt einen geringeren Druckverlust je Luftvorhang und führt damit zu einer Effizienzsteigerung.
Mit Vorteil ist wenigstens ein Schubaggregat zum Vortrieb des Fahrzeugkörpers vorgesehen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein von den den Luftvorhang erzeugenden Strömungsmaschinen verschiedenes Aggregat. Das
Schubaggregat ist hierbei vorgesehen, um einen Schub in Fahrtrichtung, insbesondere nach vorne, zu erzeugen, wobei das Schubaggregat zu diesem Zweck bevorzugt im hinteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist.
Um mit Hilfe des Schubaggregats zusätzliche
Steuerungsmöglichkeiten zu realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass das wenigstens eine Schubaggregat eine Mehrzahl von gesondert ansteuerbaren schuberzeugenden
Elementen, insbesondere Strömungsmaschinen, umfasst, deren Schubachsen in horizontaler und/oder vertikaler
Querrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Durch gezielte Ansteuerung der einzelnen Strömungsmaschinen kann nach Bedarf ein Drehmoment um eine horizontale Achse und/oder um eine vertikale Querachse auf das Fahrzeug aufgebracht werden.
Um das Fahrzeug zusätzlich als Fluggerät einsetzen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Fahrzeug, insbesondere der Fahrzeugkörper wenigstens ein
Tragflächenprofil zur Erzeugung eines Auftriebs aufweist. Insbesondere kann der Fahrzeugkörper in der
Längsmittelebene einen tragflächenartigen Querschnitt aufweisen. Dies führt dazu, dass das Fahrzeug, nachdem es einen ausreichenden Abstand vom Boden erreicht hat, bei Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit den entstehenden dynamischem Auftrieb ausnützt, um mit geringem
Energieeinsatz fortbewegt zu werden. Die Funktion des
Tragflächenprofils besteht darin, durch Beeinflussung der Umströmung eine ausreichend große Kraft senkrecht zur
Anströmrichtung zu erzeugen.
Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug hierbei als Nurflügler ausgebildet. Die erforderliche aerodynamische
Stabilisierung, insbesondere um die Querachse, des
Fahrzeugs in der Luft kann durch Lagekorrekturbewegungen vorgenommen werden, die bevorzugt mit Hilfe einer gezielten Ansteuerung derjenigen Strömungsmaschinen erfolgt, die sonst für die Erzeugung des Luftvorhangs vorgesehen sind.
In einer Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Fahrzeug durch die folgenden Merkmale aus:
Es lässt sich wie ein Automobil im Rahmen der
bestehenden Infrastruktur (wie z.B. Parkplätze und Straßen) nutzen. Das Fahrzeug kann ohne Räder bewegt werden, so dass auf Räder und Radaufhängungen verzichtet werden kann.
Das Fahrzeug kann sich unabhängig vom jeweiligen
Untergrund fortbewegen bzw. fliegen, damit das
Reiseziel auf direkten Weg in der Luftlinie erreicht werden kann. Diese Eigenschaft ist insbesondere in unwegsamem Gelände (z.B. in Bergregionen oder in
Regionen mit beschränkter Straßeninfrastruktur) von Vorteil und kann Rettungsdiensten helfen, Hindernisse sofort zu überwinden.
Das Fahrzeug erreicht sowohl vertikale Bewegungen als auch die horizontale Fortbewegung mit möglichst wenig Energieaufwand .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt des Fahrzeugs, Fig. 2 eine Unteransicht des Fahrzeugs gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der
Fig. 1, Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie B-B der
Fig. 1, Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie C-C der
Fig. 1, Fig. 6 eine Detailansicht eines Strömungsspalts in einer ersten Ausführung, Fig. 7 eine Detailansicht eines Strömungsspalts in einer zweiten Ausführung und Fig. 8 eine Detailansicht eines Strömungsspalts in einer dritten
Ausführung .
Im Längsschnitt gemäß Fig. 1 ist das Fahrzeug 1
dargestellt, welches einen Fahrzeugkörper 2 mit einem
Fahrzeugboden 3 aufweist. Der Fahrzeugkörper umfasst eine gewölbte Dachlinie 4, sodass diese gemeinsam mit dem im Wesentlichen ebenen Boden ein Tragflächenprofil ausbildet, welches bei einer Luftanströmung von vorne gemäß dem Pfeil 5 bei Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit einen dynamischen Auftrieb erzeugt. Zur Erzeugung eines Vortriebs ist ein Schubaggregat 6 am hinteren Ende des Fahrzeugs 2 angeordnet, welches eine Mehrzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 7, umfasst. Damit das Fahrzeug oberhalb des Untergrunds 8 auf einem Luftkissen 9 schweben kann, verfügt es über eine Vielzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern, die einen sich entlang des Randes des Fahrzeugbodens 3 erstreckenden Luftvorhang erzeugen.
Der Luftvorhang umfasst dabei einen vorderen Abschnitt am vorderen Rand des Fahrzeugbodens 3, einen hinteren
Abschnitt am hinteren Rand des Fahrzeugbodens 3 und zwei seitliche Abschnitte an den beiden Seitenrändern des
Fahrzeugbodens 3. Zur Erzeugung des vorderen Abschnitts des Luftvorhangs ist ein Strömungsspalt 10 ausgebildet, über welchen mit Hilfe von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 11, eine Luftströmung in Richtung zum Luftkissen 9 erzeugt werden kann. Zur Erzeugung des hinteren
Abschnitts des Luftvorhangs ist ein Strömungsspalt 12 ausgebildet, über welchen mit Hilfe von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 13, ebenfalls eine Luftströmung in Richtung zum Luftkissen 9 erzeugt werden kann.
In der Unteransicht gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich die Austrittsöffnung der Strömungsspalte 10 und 12 über die gesamte Breite a des Fahrzeugbodens 3 erstreckt, sodass sich ein entsprechender Luftvorhang ergibt. Weiters sind in der Unteransicht auch die seitlichen Strömungsspalte 14 und 15 ersichtlich, die der Ausbildung der seitlichen
Abschnitte des Luftvorhangs dienen. In den Strömungsspalten 14 und 15 ist jeweils eine Vielzahl von Strömungsmaschinen, insbesondere Propellern 16, nebeneinander angeordnet, um entlang der seitlichen Ränder eine Luftströmung zu erzeugen. Insgesamt bilden die seitlichen Abschnitte des Luftvorhangs sowie der vordere und der hintere Abschnitt des Luftvorhangs gemeinsam einen durchgehenden umlaufenden Luftvorhang aus, der das Luftkissen 9 unterhalb des
Fahrzugsbodens 3 aufrechterhält. Die Strömungsmaschinen 11, 13 und 16 sind hierbei unabhängig voneinander ansteuerbar, sodass der am jeweiligen Abschnitt des Luftvorhangs
wirkende Schub eingestellt werden kann, insbesondere an unterschiedlichen Abschnitten des Luftvorhangs
unterschiedlich große Schubkräfte zur Anwendung gebracht werden können. Dabei können die Strömungsmaschinen 11, 13 und 16 steuerungsmäßig auch zu Gruppen zusammengefasst werden, wobei lediglich die Gruppen unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 sind die seitlichen Strömungsspalte 14 und 15 besser ersichtlich, wobei die Strömungsmaschinen 16 so ausgerichtet sind, dass der erzeugte Luftvorhang leicht nach innen in Richtung zum Luftkissen 9 gerichtet ist. Eine äußere Leiteinrichtung 17 begrenzt den Strömungsspalt 14 bzw. 15 und ermöglicht ein Rezirkulieren der Luft aus dem Luftvorhang derart, dass diese Luft radial außerhalb der Leiteinrichtung 17 nach oben strömen und von oben wieder in den Strömungsspalt 14 bzw. 15 eingesaugt wird.
In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 4 sind die
Strömungsmaschinen 11 zur Ausbildung des vorderen
Abschnitts des Luftvorhangs ersichtlich.
In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 5 sind sowohl die Strömungsmaschinen 7 des Schubaggregats 6 als auch die Strömungsmaschinen 13 zur Ausbildung des hinteren Abschnitts des Luftvorhangs ersichtlich. Das Schubaggregat umfasst hierbei sowohl in einer horizontalen Reihe
angeordnete Strömungsmaschinen 7 als auch seitliche
Strömungsmaschinen 1 ' . Dadurch, dass die einzelnen
Strömungsmaschinen 7 und 7' gesondert voneinander
ansteuerbar sind, kann durch Erzeugung eines
unterschiedlich starken Schubes ein Drehmoment um eine horizontale Achse oder eine vertikale Querachse des
Fahrzeugs 1 erzeugt werden.
In den Fig. 6, 7 und 8 sind alternative Ausbildungen der Strömungsspalten 14 und 15 dargestellt. In Fig. 6 ist die Leiteinrichtung 17 weggelassen, sodass eine Rezirkulierung der Luft aus dem Luftvorhang nicht stattfindet. In Fig. 7 bildet die Leiteinrichtung 17 eine seitliche Begrenzung derart, dass eine Rückströmung von Luft aus dem Luftvorhang radial außerhalb der Leiteinrichtung nicht ermöglicht wird, sondern dass eine turbulente Strömung, nämlich ein
Luftwirbel um eine Achse 18 erzeugt wird. Bei der
Ausbildung gemäß Fig. 8 wird lediglich ein Teil der Luft aus dem Luftvorhang rezirkuliert , wobei der andere Teil seitlich abströmen kann.
Das Fahrzeug gemäß dem Ausführungsbeispiel verfügt dabei über die folgenden Fortbewegungsmöglichkeiten:
1) Schweben: Schweben erfordert Bodennähe. Die vertikale Lage des Fahrzeugs wird durch Überdruck zwischen dem
Fahrzeug und dem Boden reguliert und zwar durch die
Strömungsspalten bei geringem Energiebedarf. 2) Bodeneffekt: Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Bodeneffekt genutzt, was zu einer weiteren Reduktion des Energiebedarfs führt.
3) Vertikale Bewegung sowie Seitwärtsbewegung in alle Richtungen: Das Fahrzeug kann sich durch den Schub, der in den Strömungsspalten erzeugt wird, vertikal unabhängig vom Boden in alle Richtungen bewegen.
4) Fliegen: Die vertikale Lage wird bei höheren
Fortbewegungsgeschwindigkeiten unabhängig von der Bodennähe mit einem Unterdrück auf der Oberseite und/oder Überdruck auf der Unterseite des Fahrzeugs in der vertikalen Lage gehalten. Dabei wird der erforderliche Korrekturschub für die räumliche Ausrichtung der Fahrgastzelle in den
Strömungsspalten gering gehalten, um den Energiebedarf zu minimieren .
5) Korrekturschub: Die Korrektur der räumlichen Lage erfolgt automatisch mittels Korrekturschub unter Verwendung der Messdaten der Sensoren.
Das Schweben kann je nach Geschwindigkeit des Fahrzeuges unterschiedlich erzeugt werden. Bei geringen
Geschwindigkeiten schwebt das Fahrzeug durch den Überdruck im Raum zwischen Fahrzeug und Boden. Der Überdruck wird erzeugt und gehalten, indem am Rande des Überdruckbereichs Luft durch den dort angeordneten Strömungsspalt eingeblasen wird, um einen Luftvorhang zu erzeugen, wodurch eine
Strömung vom Überdruckbereich zum Umgebungsdruckbereich verhindert wird. Durch den Impuls, der von der Strömung des Luftvorhangs auf die aus dem Luftkissen zum Rand des
Fahrzeugs strömende Luft ausgeübt wird, bleibt der Überdruck unter dem Fahrzeug erhalten. Dabei kann dieser Impuls entweder durch die Strömung durch das Verwenden von neuer Luft (Fig. 6) oder durch einen Strömungswirbel (Fig. 7) auf Grund der Rezirkulierung der Luft aus dem
Luftvorhang erzeugt werden. Der Vorteil der Rezirkulierung liegt darin, dass die in die Umgebung abströmende Luftmenge stark reduziert wird, so dass die beidseits des Fahrzeugs entstehende, für Passanten unangenehme Wirbelbildung verringert wird. Bei der Bauart ohne Luftrezirkulierung (Fig. 6) entspricht die abströmende Luftmenge der neu eingeblasenen Luftmenge. Der Vorteil dieser Bauart liegt in der höheren Effizienz, der Nachteil hingegen in den
Verwirbelungen der abströmenden Luft. Wenn gemäß einer weiteren Variante (Fig. 8) lediglich ein Teil der Luft aus dem Luftvorhang rezirkuliert wird, reduziert dies die horizontale Strömungsgeschwindigkeit in einem Abstand von einem Meter vom Fahrzeug gemessen um bis zu 30%, wobei der zusätzliche Energieaufwand <10% beträgt.
Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Überdruckbereich, d.h. der das Luftkissen oben
begrenzende Bodenbereich, eine Fläche von 8,6m 2 . Das
Fahrzeuggewicht beträgt 400kg. Der im Luftkissen
herrschende Überdruck P ü beträgt ca. 0,5 kN/m 2 . Bei einer Schwebehöhe (h) ist die Strömungsgeschwindigkeit für die Erzeugung des Luftvorhangs im Strömungsspalt von der
Strömungsspaltenbreite (b) und deren Ausrichtung abhängig. Bei einer mittleren Strömungsspaltbreite A z von 0,15m und einer Schwebehöhe h von 0,15m beträgt die Abströmfläche A a 0,15m 2 /m. Der erforderliche Impuls I a auf die Abströmfläche A a beträgt A a *P ü = I a , somit 0,07kN/s pro m. Der Gegenimpuls I z wird bei einer Strömungsgeschwindigkeit v z von 20m/s im Strömungsspalt erreicht, weil I z = v z 2 * A z * p (Luftdichte in kg/m 3 ) . Messungen haben ergeben, dass aufgrund von
Verlusten, die notwendig sind, um einen Impuls I z zu erreichen, der dem Impuls I a entspricht, der Impuls I s in der Strömungsspalte um den Faktor 1,5 bis 2,5 höher sein muss als der Impuls I z bzw. I a . Somit resultiert für die oben beschriebene Ausführung eine Strömungsgeschwindigkeit v z im Strömungsspalt zwischen 24m/s und 32m/s. Der
Energieverbrauch beträgt bei einer Schwebehöhe h von 0,15m bei der beschriebenen Ausführung zwischen l,2kWh/m und 3kWh/m Strömungsspalt. Bei der Strömungsspaltenlänge von 13,2m beträgt somit der gesamte Schwebeenergiebedarf zwischen 15,8kWh und 40kWh.
Durch die Reduktion der Schwebehöhe lässt sich der
Energieverbrauch wesentlich reduzieren. Bei einer
Schwebehöhe von 0,05m beträgt der Energiebedarf zwischen 0,3kWh/m und 0,9k h/m und der Gesamtenergieaufwand liegt somit zwischen 4kWh und 12kWh. Der Schub im Strömungsspalt kann u.a. mittels elektrischer Propeller oder Impeller erzeugt werden. Der Wirkungsgrad liegt dabei zwischen 2 und 6 Gramm/W Schub.
Je geringer die Schwebehöhe ist, desto geringer ist der Energieaufwand. Die Rollreibung c R eines konventionellen Fahrzeuges mit Reifen beträgt zwischen 0,01 und 0,02. Beim Gewicht F n eines typischen Straßenfahrzeugs zwischen lOkN und 20kN beträgt der Rollwiderstand F R im Mittel 0,22kN. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v F von 18m/s beträgt die
Rollwiderstandsleistung P R bereits ca. 4kW (P R = F R * v F) .
Je nach Schwebehöhe benötigt das Aufrechterhalten des
Schwebezustandes des Fahrzeugs weniger Energie als bei einem konventionellen Fahrzeug mit Rädern der Energiebedarf infolge des Rollwiderstands. Ab einer Geschwindigkeit von 60km/h ist aufgrund des Wegfalls des Rollwiderstandes das Fahrzeug bereits energetisch effizienter. Bei
Geschwindigkeiten ab 70km/h steigt die Effizient deutlich an, da von dieser Geschwindigkeit an die ersten
Bodeneffekte auftreten, bzw. durch die Fahrtluft ein
Überdruck zwischen dem Fahrzeugboden und dem Untergrund entsteht, so dass sich der Energiebedarf für die
Herstellung des Überdrucks um 15 - 30% reduziert. Je höher die Geschwindigkeit desto stärker die Bodeneffekte und der Auftrieb aufgrund der Fahrgastzellen-Geometrie .
Für das Fliegen unter Ausnutzung des dynamischen Auftriebs ergeben sich bei einem Ausführungsbeispiel die folgenden Zusammenhänge: Die Fahrgastzelle hat einen Auftriebswert C a von zwischen 0,2 und 0,6. Die Auftriebsfläche beträgt ca. 8m 2 . Der Widerstandsbeiwert Cw - bezogen auf die
Auftriebsfläche - beträgt im Mittel zwischen 0,03 und 0,3 abhängig vom Auftrieb und von der Randwirbelbildung, die beide in Bodennähe deutlich reduziert werden. Ab einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 40m/s und 60m/s ist der Auftrieb aufgrund der Fahrgastzellen-Geometrie ausreichend, um das Fahrzeug zu heben.
Der zum Fliegen des Fahrzeugs notwendige Energiebedarf liegt zwischen 35kW/h und 70kW/h, wobei optimal ein
Energieverbrauch von 25kWh/100km erreicht werden kann und auch bei hohen Geschwindigkeiten von > 160km/h eine hohe Energieeffizienz gewährleistet ist. Ab einer
Geschwindigkeit von ca. 160 km/h ist bei der bevorzugten Bauweise der Unterdrück oberhalb des Fahrzeuges bzw. je nach Lage der Überdruck unterhalb des Fahrzeuges - unabhängig vom Untergrund - genügend groß, damit das
Fahrzeug fliegt. Das Fahrzeuggehäuse funktioniert als einziger Tragflügel. Bekanntlich ist ein Nurflügler
aufgrund der je nach räumlicher Lage des Fahrzeugs sich veränderten Größe, Richtung und Lage der
Luftkraftresultierenden in seiner Lage nicht stabil. Darum wird die räumliche Lage der Fahrgastzelle bzw. des
Nurflüglers laufend mittels Schuberzeugung im
Strömungsspalt automatisch korrigiert. Dadurch wird das Fahrzeug durch die ringsum vorhandenen Antriebe in der optimalen Fluglage gehalten.
Beim vertikalen Abheben des Fahrzeugs gelten bei einem Ausführungsbeispiel die folgenden Zusammenhänge: Die erzeugbare vertikale Strömungsgeschwindigkeit im
Strömungsspalt ist variabel und sollte 100m/s nicht
überschreiten. Idealerweise liegt . diese bei ca. 30m/s. Bei der vertikalen Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsspalt von 45m/s entsteht ein Schub von 4KN bei einer
erforderlichen Leistung von ca. 100kW. Diese ermöglicht dem Fahrzeug ein vertikales Starten und Landen. Idealerweise sollte die zur Verfügung gestellte Leistung kurzfristig 150kW betragen können.
Die Steuerung des Fahrzeugs kann durch den Antrieb wie folgt funktionieren: Die Fortbewegung und die Steuerung erfolgen hierbei durch die Veränderung der
Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Schubs im Strömungsspalt. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des
Spalts variieren. So lässt sich das Fahrzeug in x-, y- und z-Richtung verschieben und es lassen sich Drehungen um die x-, y- und z-Achse erzeugen. Idealerweise wird der Schub durch Rotoren oder Impeller von 10 - 30 cm Durchmesser erzeugt, wobei der Leistungsbereich pro Impeller idealer Weise zwischen 0,5kW und 10kW liegt. Die automatische Korrektur der Lage erfolgt mittels Radarsensoren und optischer Sensoren. Durch die Kombination dieser Sensoren lässt sich der Schub im Strömungsspalt automatisch regeln, so dass eine Ist-Soll-Position im Schwebemodus von +/- 10cm erreicht wird.
Die Energieversorgung des Fahrzeugs erfolgt bevorzugt über Batterien, kann jedoch auch auf einer Kombination von
Batterien mit Brennstoffzellen basieren. Es ist eine
Vielzahl von unterschiedlichen Lithium-Batterien bekannt. Z.B. haben Lithium Polymer Akkus eine Leistungsdichte von zwischen 130Wh/kg und 300Wh/kg. Es sollte ein Akku-Gewicht von 100kg im Fahrzeug nicht überschritten werden. Mit der heutigen Akku-Technik lassen sich somit im Mittel 20kWh Energie speichern. Entladungsraten bis 4C sind für eine konstante Entladung üblich, kurzfristig (d.h. in wenigen Minuten) werden ohne weiteres 10C-Raten erreicht. Ein
20kWh-Akku liefert somit ohne Weiteres die für den
Senkrechtstart und die Beschleunigung benötigte Leistung von 150kW und kann 80kW Dauerleistung für hohe
Geschwindigkeiten zur Verfügung stellen.
Für einen minimalen Energieverbrauch sind folgende
Betriebsweisen ideal: Schweben durch Überdruck unter dem Fahrzeug bis zu einer Höhe um die 0,5m. Über dieser Höhe ist es effizienter, den vertikalen Schub des
Strömungsspalts zu verwenden. Die Schwebehöhe sollte, wenn es der Untergrund zulässt, so gering wie möglich gehalten werden, idealer Weise um die 5cm. Bei dieser Schwebehöhe und einer Reisegeschwindigkeit von 120km/h beträgt der Energieverbrauch zwischen 10kWh und 20kWh pro 100km. Bei Geschwindigkeiten von über 160km/h ist Fliegen am
effizientesten, und zwar bei einem optimalen Energieverbrauch von 25kW/h pro 100km. Dieser Modus ist vor allem dort interessant, wo der Weg auf der Straße deutlich länger ist oder Höhenunterschiede überwunden werden müssen, wie z.B. im Gebirge. Energiesparend gegenüber
konventionellen Fahrzeugen ist auch die Tatsache, dass diese bei hohen Geschwindigkeiten dem Auftrieb
entgegenwirken müssen, während das erfindungsgemäße
Fahrzeug diesen nutzt. Der Schwebemodus mittels Schub über 0,5m Flughöhe sollte nur sehr kurz und nur im Notfall zum Starten und Landen in unwegsamem Gelände genutzt werden, da dieser sehr energieintensiv ist.