DE102012013053B4

DE102012013053B4 - Fluggerät und Anordnung aus Fluggerät und Führungsbahn

Info

Publication number: DE102012013053B4
Application number: DE102012013053.8A
Authority: DE
Inventors: Liew Kan-Kern; Jürgen Steinwandel; Detlev Konigorski
Original assignee: Airbus DS GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus DS GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: DE102012013053A1

Abstract

Anordnung (14) aus einem Fluggerät (10) und einer Führungsbahn (12) zum Führen des Fluggeräts (10), wobei zum Beabstanden des Fluggerätes (10) von der Führungsbahn (12) das Fluggerät (10) wenigstens einen supraleitenden Bereich (18) und die Führungsbahn (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) zum Erzeugen eines Magnetfelds (40) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit einem Fahrwerk sowie eine Anordnung aus einem Fluggerät und einer Führungsbahn zum Führen des Fluggerätes. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beabstanden des Fluggerätes von der Führungsbahn.
Bekanntermaßen werden Fluggeräte wie beispielsweise Flugzeuge mithilfe ihrer Fahrwerke und daran angebrachter Rollen über eine Führungsbahn wie beispielsweise das Rollfeld eines Flugzeuges oder eine Start– und Landebahn geführt und auch davon beabstandet.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass durch den Reibungskontakt von Fahrwerk und Führungsbahn unvermeidliche Reibungsverluste insbesondere beim Starten des Flugzeuges hinzunehmen sind, und zusätzlich Unebenheiten auf der Führungsbahn über das Fahrwerk auch auf die Passagierkabine übertragen werden, was für die Passagiere nicht sehr komfortabel ist. Weiter besteht der Nachteil, dass der Fahrwerkaufbau relativ schwer und voluminös ist, was sich negativ auf die Gesamt–Energiebilanz des Flugzeuges auswirkt.
Um den oben genannten Nachteilen entgegenzuwirken wurde beispielsweise in DE 41 02 271 C2 vorgeschlagen, das Fahrwerk durch eine Elektromagnetanordnung zu ersetzen und auf der Führungsbahn wie beispielsweise dem Rollfeld oder der Start–und Landebahn Elektromagneten vorzusehen, so dass durch magnetische Abstoßung ein Schweben von Fluggeräten ermöglicht wird und somit auf ein Fahrwerk verzichtet werden kann.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass beispielsweise beim Landen des Fluggerätes eine präzise Landung auf einem die Elektromagneten tragenden Karren oder Schlitten nötig ist, der durch eine hochtechnisierte Steuerung gesteuert werden muss. Jegliche Abweichung von den Optimalparametern kann zu Problemen bei der Landung führen.
DE 29 34 418 A1 beschreibt ein Fluggerät mit einem Antriebselement, das eine supraleitende Spule aufweist, so dass das Antriebselement im Erdmagnetfeld einen Schub erfahren kann.
US 3 470 828 A beschreibt eine Magnetschwebebahn, wobei in der Bahn supraleitende Magnete zur Erzeugung eines Magnetfeldes angeordnet sind, die mit Strömen wechselwirken, die in einer Führungsbahn mit nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Metallleitern durch Annäherung der supraleitenden Magnete erzeugt werden.
DE 39 06 727 A1 offenbart ein Fahrzeug, das auf einer Schiene geführt wird, wobei das Fahrzeug Tragflächen aufweist sowie einen durch einen Elektromotor angetriebenen Propeller, wobei der Elektromotor über die Schienen mit Strom versorgt wird.
DE 10 2004 002 254 A1 offenbart die Verwendung von Metall-Bariumkupferoxiden in supraleitenden Schwebekörpern für lineare Lager und Führungen.
In WO 2003/ 103 995 A2 ist ein Magnetschwebeauto offenbart, in dem Magnete angeordnet sind, die von in einer Straße angeordneten, gleichgepolten Magneten abgestoßen werden.
DE 10 2005 004 717 A1 offenbart ein plattformbasiertes Start- und Landebahnsystem für Flugzeuge, wobei eine Plattform ein Flugzeug abbremst bzw. beschleunigt und sich dabei auf einer Führungsbahn bewegt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Technik bereitzustellen, mit der die genannten Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung aus einem Fluggerät und einer Führungsbahn gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, ferner durch ein Verfahren zum Beabstanden eines Fluggerätes von einer Führungsbahn gemäß Anspruch 13 und durch ein Fluggerät gemäß Anspruch 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Fluggerät weist ein Fahrwerk mit einem supraleitenden Bereich auf.
So kann das Fluggerät durch Wechselwirkung des supraleitenden Bereichs mit beispielsweise einem Magnetfeld über den Boden geführt und von ihm beabstandet werden.
Zum Beabstanden eines Fluggerätes von einer Führungsbahn wird eine Anordnung aus einem Fluggerät und einer Führungsbahn zum Führen des Fluggeräts vorgeschlagen, wobei zum Beabstanden des Fluggerätes von der Führungsbahn das Fluggerät wenigstens einen supraleitenden Bereich und die Führungsbahn eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist.
Die Wirkung von Supraleitern und Magnetfeldern beruht nicht wie bei der Wechselwirkung von Magneten untereinander auf dem Prinzip von Anziehung und Abstoßung, sondern auf dem Prinzip der Verdrängung der Magnetfelder aus dem Inneren des supraleitenden Materials, bekannt als Meißner-Ochsenfeld-Effekt, der in 6 dargestellt ist.
Wenn das Fluggerät einen supraleitenden Bereich aufweist und die Führungsbahn, auf der es rollen, landen oder von der es starten soll, fähig ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wird bei Annäherung des Fluggerätes an die Führungsbahn das erzeugte Magnetfeld vorteilhaft aus dem supraleitenden Bereich verdrängt und das Fluggerät durch die somit wirkenden Kräfte von der Führungsbahn beabstandet. Supraleiter ermöglichen eine konstante Beibehaltung eines Abstandes zwischen dem Fluggerät und der Führungsbahn, weil sie vorteilhaft den Magnetfluss eines Magnetfeldes anders als bei einer Annäherung zweier Magneten aneinander nicht verändern.
Um insbesondere eine Landung zu ermöglichen ist es demnach auch nicht mehr erforderlich, einen präzise gesteuerten Schlitten oder Karren zur Landung des Fluggerätes auf der Führungsbahn bereitzustellen. Es genügt, lediglich an oder in der Führungsbahn ein konstantes Magnetfeld bereitzustellen. Dieses konstante Magnetfeld wird nicht durch die Annäherung des Supraleiters beeinflusst, so dass eine konstante Beabstandung des Fluggerätes von der Führungsbahn ermöglicht wird.
Es kann somit durch Vorsehen eines supraleitenden Bereiches in oder an dem Fluggerät sowie einer Magnetfelderzeugungseinrichtung in oder an der Führungsbahn auf ein Fahrwerk an dem Fluggerät verzichtet werden.
Das Rollen auf dem Rollfeld kann somit durch ein Schweben des Fluggerätes über die Führungsbahn, entweder unterstützt durch eigenen Antrieb oder durch ein Transportfahrzeug, ersetzt werden. Entsprechend schwebt das Fluggerät auch beim Starten und Landen über die Start – und Landebahn.
Vorzugsweise weist der supraleitende Bereich ein hochtemperatursupraleitendes Material auf, insbesondere ein Material, das bei Temperaturen größer als dem Siedepunkt von Stickstoff, bei beispielsweise – 200 °C bis Raumtemperatur, supraleitende Eigenschaften aufweist.
Solche Materialien sind vorzugsweise gut bekannt und entfalten ihre supraleitenden Eigenschaften vorteilhaft bei Temperaturen, die in einem Fluggerät leicht einstellbar sind.
Werden beispielsweise Materialien verwendet, die vorzugsweise bei Temperaturen knapp oberhalb dem Siedepunkt von Stickstoff supraleitend sind, können beispielsweise durch Kühlung mit vorteilhaft leicht verfügbarer und gut speicherbarer flüssiger Luft die supraleitenden Materialien auf Einsatztemperatur gebracht werden. Es genügt dabei beispielsweise auch, die supraleitenden Materialien vorzugsweise erst kurz vor beispielsweise der Landung herabzukühlen.
Vorteilhaft ist der supraleitende Bereich mit wenigstens einer Keramik, insbesondere mit wenigstens einem Cuprat, gebildet. Supraleitende Keramiken auf Basis von Cupraten (Kupferoxiden) sind vorteilhaft wissenschaftlich gut untersucht.
Beispielsweise kann der supraleitende Bereich mit Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) und/oder Bismuthstrontiumcalciumkupferoxid (BSCCO) und/oder mit Quecksilberbariumcalciumkupferoxid und/oder mit Quecksilberthalliumbariumcalciumkupferoxid gebildet sein. Diese Materialien entfalten ihre supraleitenden Eigenschaften bei Temperaturen um die Siedetemperatur von Stickstoff, d.h. bei etwa –200 °C. Diese Temperaturen können vorteilhaft durch Verwendung von gut verfügbarer flüssiger Luft erreicht werden, so dass die genannten Materialien besonders bevorzugt sind zur Verwendung in einem Fluggerät.
Alternativ können auch Materialien verwendet werden, die bereits bei Raumtemperatur supraleitend sind, beispielsweise beschrieben in DE 10 2008 047 334 B4 .
Besonders bevorzugt ist eine Kühleinrichtung zum Kühlen des supraleitenden Bereichs vorgesehen. Damit können die oben genannten Materialien auf Temperaturen vorzugsweise unterhalb ihrer Sprungtemperatur gebracht werden, so dass sie vorteilhaft supraleitend werden und bevorzugt mit dem durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung in der Führungsbahn erzeugten Magnetfeld wechselwirken können.
Beispielsweise weist die Kühleinrichtung eine stickstoffbasierte Kühleinheit zum Kühlen des supraleitenden Bereichs mit flüssigem Stickstoff auf.
Alternativ oder zusätzlich kann die Kühleinrichtung eine wasserstoffbasierte Kühleinheit zum Kühlen des supraleitenden Bereichs mit kryokomprimiertem Wasserstoff und/oder mit verflüssigtem Wasserstoff aufweisen.
Sowohl flüssiger Stickstoff als auch kryokomprimierter bzw. flüssiger Wasserstoff sind vorteilhaft leicht verfügbar und können bevorzugt gut in Fluggeräten gespeichert werden.
Besonders bevorzugt ist die Kühleinrichtung zum Kühlen weiterer zu kühlender Fluggeräteinheiten und/oder zum Versorgen von Brennstoffzellen mit Brennmaterialien ausgebildet.
So können vorteilhaft Bauraum und Gewicht eingespart und dennoch vorzugsweise mehrere Funktionen erfüllt werden, wie beispielsweise gleichzeitig die Kühlung des supraleitenden Bereichs und eines supraleitenden Antriebs. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den supraleitenden Bereich vorzugsweise mit Wasserstoff zu kühlen, der zum Beispiel als Brennmaterial in Brennstoffzellen für einen Fluggerätantrieb verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist der supraleitende Bereich in einem beim Annähern an die Führungsbahn zur Führungsbahn gerichteten Fluggerätbereich angeordnet.
Zum Beispiel kann der supraleitende Bereich im Bauchraum des Fluggerätes angeordnet sein. So kommt der supraleitende Bereich vorzugsweise beim Annähern des Fluggerätes besonders nahe an die Führungsbahn heran und es kann vorteilhaft ein minimaler Abstand zwischen supraleitendem Bereich und Führungsbahn realisiert werden, so dass vorteilhaft ein möglichst geringer Energieaufwand zur Erzeugung des Magnetfeldes nötig ist.
Bevorzugt ist das Fluggerät ein bemanntes oder unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder ein Helikopter, oder ein Marschflugkörper.
Besonders bevorzugt weist das Fluggerät einen Antrieb auf Basis von Supraleitern auf. Somit ist es vorteilhaft möglich, Konstruktionsmaßnahmen wie beispielsweise die Kühleinrichtung vorteilhaft sowohl für den Antrieb als auch für den supraleitenden Bereich zur Beabstandung des Fluggerätes von der Führungsbahn zu verwenden.
Es ist auch möglich, dass das Fluggerät vorteilhaft eine Kombination mehrerer Antriebe aufweist, beispielsweise eine Kombination eines Antriebes auf Basis von Supraleitern mit einem Antrieb auf Basis von Brennstoffzellen oder auch eine Kombination mit einem konventionellen Antrieb auf Basis von beispielsweise Kerosin.
Vorteilhaft weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Magneten auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Elektromagneten aufweist. Von Vorteil ist hierbei ein Vorsehen einer Vielzahl von Magneten. Elektromagneten haben den Vorteil, dass die Stärke des erzeugten Magnetfelds vorzugsweise individuell eingestellt werden kann. So kann das Magnetfeld beispielsweise dem Gewicht des Fluggerätes angepasst werden. Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung mehrere (Elektro–)Magnete aufweist, so dass je nach Art und Gewicht des Fluggerätes vorteilhaft auch die Länge des wirkenden Magnetfeldes angepasst werden kann.
Dazu ist es von Vorteil, wenn eine Energiequelle zum Versorgen des wenigstens einen Elektromagneten mit elektrischer Energie vorgesehen ist und vorteilhaft weiter eine Steuerung zum Aktivieren und/oder Deaktivieren des wenigstens einen Elektromagneten vorgesehen ist. So ist es vorzugsweise möglich, den oder die Elektromagneten individuell anzusteuern und somit vorzugsweise eine Führung des Fluggerätes über die Führungsbahn mit einem vorteilhaft minimalen Energieaufwand zu realisieren.
Besonders bevorzugt ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung in die Führungsbahn eingebettet. So kann vorteilhaft eine Führungsbahn bereitgestellt werden, die sich vorzugsweise optisch angepasst in die Landschaft einfügt, was bei konventionellen Beton–Führungsbahnen zumeist nicht der Fall ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Führungsbahn transportabel. So kann vorteilhaft auch eine Notfall–Führungsbahn bereitgestellt werden, die vorzugsweise einfach durch Auslegen der Führungsbahn durch eine Notfall–Crew auf in der Länge ausreichendem Feld ausgerollt wird.
Alternativ ist die Führungsbahn eine ortsfeste Landebahn oder ein ortsfestes Rollfeld an einem Flughafen.
Bei einem bevorzugten Verfahren zum Beabstanden eines Fluggerätes von einer Führungsbahn wird an und/oder in dem Fluggerät ein supraleitender Bereich und an und/oder in der Führungsbahn eine Magnetfelderzeugungseinrichtung bereitgestellt, wobei das Fluggerät an die Führungsbahn angenähert wird und wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens bei Erreichen eines vorbestimmten Abstands von Fluggerät zu Führungsbahn ein Magnetfeld erzeugt.
Eine vorteilhafte Verwendung eines Fluggeräts mit einem supraleitenden Bereich ist die Verwendung in der oben beschriebenen Anordnung bzw. in dem oben beschriebenen Verfahren.
Ebenso ist es vorteilhaft, eine Führungsbahn mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung in der oben beschriebenen Anordnung bzw. dem oben beschriebenen Verfahren zu verwenden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 ein Fluggerät beim Starten ausgehend von einer Führungsbahn;
2 das Fluggerät und die Führungsbahn aus 1, wobei das Fluggerät einen supraleitenden Bereich und die Führungsbahn eine Vielzahl von Elektromagneten aufweist;
3 das Fluggerät aus 1 und 2 mit dem supraleitenden Bereich und einer Kühleinrichtung;
4 die Anordnung einer Vielzahl von Elektromagneten, eingebettet in die Führungsbahn aus 1;
5 eine transportable Führungsbahn, aufgebaut aus einer Vielzahl von Elektromagneten; und
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung des aus der Literatur bekannten Meißner-Effekts.
1 zeigt den Start eines Fluggerätes 10 von einer Führungsbahn 12.
In 2 ist eine Anordnung 14 aus dem Fluggerät 10 und der Führungsbahn 12 dargestellt. Dabei ist der innere Aufbau sowohl des Fluggerätes 10 als auch der Führungsbahn 12 gezeigt.
Das Fluggerät 10 weist an seinem zu der Führungsbahn 12 gerichteten Fluggerätbereich 16 einen supraleitenden Bereich 18, gebildet aus einem vorderen Teilbereich 20 und einem hinteren Teilbereich 22, auf. In dem supraleitenden Bereich 18 sind supraleitende Materialien, insbesondere hochtemperatursupraleitende Materialien 24, angeordnet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die hochtemperatursupraleitenden Materialien 24 durch Keramiken 26 auf Basis von Cupraten 28 gebildet, nämlich durch Yttriumbariumkupferoxid, YBCO 30, und Bismuthstrontiumcalciumkupferoxid, BSCCO 32.
YBCO 30 und BSCCO 32 haben Sprungtemperaturen im Bereich des Siedepunktes von Stickstoff, d.h. sie entfalten bei Unterschreiten dieser kritischen Temperatur supraleitende Eigenschaften.
Die Führungsbahn 12 in 2 weist zum Bilden einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 34 eine Vielzahl von Magneten 36 auf, die zum Bilden der Führungsbahn 12 hintereinander angeordnet und untereinander verbunden sind. Die Magnete 36 werden durch Elektromagnete 38 gebildet.
Nähert sich das Fluggerät 10 nun in der in 2 gezeigten Weise an die Führungsbahn 12 an und sind die Elektromagnete 38 aktiviert, so dass sie ein konstantes Magnetfeld 40 erzeugen, wird dieses Magnetfeld 40 in der durch die Pfeile 42 angedeuteten Weise aus den supraleitenden Teilbereichen 20, 22 des Fluggerätes 10 verdrängt, so dass sich ein konstanter Abstand 44 zwischen Fluggerät 10 und Führungsbahn 12 einstellt. Dieser Abstand 44 kann aufgrund der Verdrängung des Magnetfeldes 40 aus dem supraleitenden Bereich 18 nicht unterschritten werden.
3 zeigt die Anordnung der supraleitenden Teilbereiche 20, 22 in dem Fluggerät 10, wobei eine Kühleinrichtung 46 vorgesehen ist. Weiter weist das Fluggerät 10 einen Antrieb 48 auf, der gebildet ist aus einer Kombination eines Supraleiter-Antriebes 50 und einer Brennstoffzelle 52.
Sowohl die supraleitenden Teilbereiche 20, 22 als auch die Antriebe 50, 52 werden durch die Kühleinrichtung 46 versorgt. Die Kühleinrichtung 46 weist eine stickstoffbasierte Kühleinheit 54 sowie eine wasserstoffbasierte Kühleinheit 56 auf. Dabei umfasst die stickstoffbasierte Kühleinheit 54 ein erstes Reservoir 58 zum Speichern von flüssigem Stickstoff 60 und die wasserstoffbasierte Kühleinheit 56 ein zweites Reservoir 62 zum Speichern von verflüssigtem Wasserstoff 64.
Sowohl von der stickstoffbasierten Kühleinheit 54 als auch von der wasserstoffbasierten Kühleinheit 46 führen erste Leitungen 66 zu den supraleitenden Teilbereichen 20, 22, um so den Teilbereichen 20, 22 flüssigen Stickstoff 60 bzw. verflüssigten Wasserstoff 64 zum Kühlen zuzuführen.
Von dem ersten Reservoir 58 führt weiter eine zweite Leitung 68 zu dem Supraleiter–Antrieb 50, um diesen ebenfalls mit flüssigem Stickstoff 60 zu kühlen. Von dem zweiten Reservoir 62 führt eine dritte Leitung 70 zu der Brennstoffzelle 52, um diese mit verflüssigtem Wasserstoff 64 als Brennmaterial 72 zu versorgen.
Somit ist die Kühleinrichtung 46 nicht nur zum Kühlen des supraleitenden Bereiches 18, sondern auch zum Kühlen weiterer Fluggeräteinheiten 74, beispielsweise des Supraleiter–Antriebs 50, ausgebildet, und kann gleichzeitig auch die Brennstoffzelle 52 mit Brennmaterial 72 versorgen.
4 zeigt die Führungsbahn 12, die durch ein Rollfeld 76 bzw. eine Start– und Landebahn 78 an beispielsweise einem Flughafen 80, gezeigt in 1, gebildet ist.
In dem Rollfeld 76 bzw. der Start– und Landebahn 78 sind eine Vielzahl von Elektromagneten 38 eingebettet, die alle mit einer Energiequelle 82 verbunden sind. Die Energiequelle 82 wird weiter durch eine Steuerung 84 angesteuert. So können bei Bedarf, beispielsweise beim Starten oder Landen eines Fluggerätes 10 auf der Start– und Landebahn 78, die Elektromagnete 38 angeschaltet werden.
In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Führungsbahn 12 ortsfest.
In 5 ist eine transportable Führungsbahn 86 dargestellt, bei der die Elektromagnete 38 untereinander so verbunden sind, dass sie zusammenklapp- oder rollbar sind. Auch die transportable Führungsbahn 86 in 5 weist eine Energiequelle 82, hier in Form eines Generators 88, sowie die Steuerung 84 zum Ansteuern der Elektromagnete 38 auf. Die transportable Führungsbahn 86 kann beispielsweise bei einer bevorstehenden Notlandung des Fluggerätes 10 von einer Notfall-Crew auf beispielsweise einem Feld mit ausreichender Länge ausgerollt werden, so dass das Fluggerät 10 sicher auf dem Feld landen kann.
Die oben beschriebene Anordnung 14 kann im Flugbetrieb zum Starten, Landen und Rollen von Fluggeräten 10 integriert werden. Es sind jedoch auch weitere Anwendungsbereiche denkbar. Dabei basiert die oben beschriebene Anordnung 14 auf einem "Quantenschweben" mit Hilfe von Supraleitern.
Fahrwerke an Fluggeräten 10 sind voluminös und schwer und werden lediglich während eines kurzen Zeitraumes während des Fluges verwendet. Dennoch weisen Fluggeräte 10 normalerweise immer Fahrwerke zum Starten, Landen und Rollen auf. Durch die Einführung von Supraleitern an Bord von Fluggeräten 10 können schwere Fahrwerke nun durch leichtere und aerodynamischere Anordnungen ersetzt werden.
Mit einem Supraleiter aufweisenden Fluggerät 10 ist ein weicherer und effizienterer Start möglich, da es keine Reibung durch Kontakt mit dem Boden gibt und das Fluggerät 10 insgesamt aerodynamischer ausgebildet ist, weil es kein Fahrwerk hat. Beim Landen wird das Fluggerät 10 in dem Magnetfeld 40 "eingefangen", wobei eine weichere Landung erfolgen kann, sodass das Risiko einer "schlechten" Landung oder einer Landung mit schwerwiegenden Folgen wie beim Magnetschwebeprinzips verringert ist.
Bislang werden Supraleiter nicht für den Start, die Landung oder das Rollen von Fluggeräten 10 verwendet. Es gab bislang in DE 41 02 271 C2 lediglich den Vorschlag, Elektromagneten 38 zu verwenden, um Fahrwerke für den Start und die Landung zu ersetzen, dieser Ansatz benötigt jedoch normalerweise einen Schlitten oder einen Karren, um den Start oder die Landung durchzuführen. Dadurch entsteht der Nachteil, dass eine Landung auf einem Schlitten oder Karren eine hohe Präzision erfordert, so dass hochtechnisierte Computer benötigt werden.
Weiter besteht ein Nachteil darin, dass jegliche Abweichung zu einer fehlerhaften oder gar katastrophalen Landung führen kann.
Es sind auch Magnetschwebebahnen bekannt, jedoch werden auch hier Elektromagnete 38 statt Supraleitern verwendet.
Im Gegensatz zu der Wechselwirkung von Elektromagneten 38, die auf dem Prinzip von Anziehung und Abstoßung basiert, basiert die Wechselwirkung von Magneten 36 mit Supraleitern auf dem Meißner-Effekt, nämlich der Verdrängung des Magnetfeldes 40 aus dem Supraleiter, dargestellt in 6.
Durch die oben vorgeschlagene Anordnung 14, bei der Supraleiter in Fluggeräten 10 verwendet werden, können voluminöse Fahrwerke vermieden und durch leichtere und kompaktere Supraleiteranordnungen ersetzt werden. Weiter sind weichere und effizientere Starts und Landungen möglich, die sogar unabhängig von Wetterbedingungen sind. Zusätzlich ist es möglich, das Fluggerät 10 auf allen möglichen Untergründen zu landen, inklusive Wasser. Die einzige Voraussetzung ist dabei, dass die Führungsbahn 12 magnetisiert ist, um ein Verdrängen des Magnetfeldes 40 aus dem Supraleiter zu ermöglichen.
Insgesamt kann somit Kraftstoff eingespart werden, es ist ein schnellerer Start bzw. eine schnellere Landung möglich, es können leichtere unbemannte Fluggeräte 10 (unmanned aerial vehicle, UAV) produziert werden und weiter sind im Prinzip auch senkrechte Starts und Landungen möglich ("vertival take-off and landing", VTOL). Zusätzlich ist der Start bzw. die Landung eines Fluggerätes 10 von einem Flugzeugträger einfacher möglich.
Insgesamt wird durch den Meißner-Effekt somit ein "Quantenschweben" von Fluggeräten 10 durch Verwendung von Supraleitern ermöglicht.
Magnetschweben (auch bekannt als "magnetic levitation", Maglev) als Technologie wurde durch die Bahnindustrie insbesondere in Japan als alternative Möglichkeit vorgestellt. Bei der Maglev-Technologie können Fahrzeuge ohne die Verwendung von Rädern oder anderen Arten von mechanischen Vorrichtungen aufgehängt, geführt und angetrieben werden. Maglev-Züge verwenden verschiedene Arten von Schwebe– und Antriebsverfahren, die generell in zwei Arten von Technologien eingeteilt werden können: die elektromagnetische Aufhängung ("elektromagnetic suspension", EMS) und die elektrodynamische Aufhängung ("elektrodynamic suspension, EDS).
EMS ermöglicht das Schweben durch Verwendung von Elektromagneten 38 und hat den Vorteil, dass es bei jeglicher Geschwindigkeit verwendet werden kann. Es hat jedoch den Nachteil, dass es beständig überwacht und nachgeregelt werden muss durch Verwendung von Computersystemen, um die Stabilität des Schwebens beizubehalten.
Das EDS–Verfahren ist stabiler und benötigt keine beständige Regelung bzw. Korrekturen, da die Vorteile von Abstoßungskräften durch induzierte Magnetfelder 40 verwendet werden. Dennoch besteht der Nachteil, dass der sich ergebende Magnetfluss bei geringen Geschwindigkeiten nicht genügend aufrecht erhalten werden kann. Daher benötigt EDS bei geringeren Geschwindigkeiten zusätzliche Räder oder mechanische Aufbauten.
Das Prinzip der Maglev-Technologie bei Zügen wurde beispielsweise in DE 41 02 271 C2 auf die Flugzeugindustrie übertragen. Die Nachteile von Maglev-Systemen bei Flugzeugen können jedoch schwer wiegen, da das Flugzeug auf einem Schlitten oder Karren, der auf dem Boden wartet, landen muss. Deshalb müssen ausgefeilte Steuerungen und Computer das Landen unterstützen, damit das Flugzeug den Bodenschlitten trifft. Jegliche nur geringe Abweichung kann den Bodenschlitten oder dass Flugzeug beschädigen oder in einem Unfall resultieren.
Die nun vorgeschlagene Anordnung verringert die genannten Risiken und hat gleichzeitig nicht die Nachteile von EDS bzw. EMS, d.h. des Magnetschwebens.
Quantenschweben wird durch Verwendung von Supraleitern realisiert, die auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur herabgekühlt werden, so dass sie einen supraleitenden Zustand erreichen, wobei in diesem Zustand der Supraleiter fast alle Magnetfelder 40 ausschließt, was als Meißner-Effekt bekannt ist. Die Wirkung des Meißner-Effekts ist schematisch in 6 dargestellt, wobei T die Temperatur, B das Magnetfeld und T_C die kritische Temperatur für die Supraleitung ist. Die Linien in 6 stellen magnetische Feldlinien da. Wenn ein Supraleiter, dargestellt durch die Kugel, unter seine kritische Temperatur T_C gekühlt wird, wird das Magnetfeld 40 aus dem Supraleiter ausgeschlossen. Dieser Zustand ermöglicht es dem Supraleiter, über diesem Magnetfeld 40 zu schweben (sog. "Quantenschweben").
Supraleiter wirken anders als bereits bekannte Magnetschwebesysteme wie beispielsweise die Maglev-Züge, wobei beide Wirkungen in einem Schweben resultieren, dennoch ist das Grundprinzip unterschiedlich.
Magnetschweben basiert auf dem Prinzip von magnetischer Anziehung und Abstoßung. Dies ist sowohl möglich bei Verwendung von Magneten 36 wie Permanentmagneten als auch bei Verwendung von Elektromagneten 38.
Wie zuvor beschrieben schweben Supraleiter aufgrund der Verdrängung von Magnetfeldern 40 anstatt aufgrund der Wechselwirkung von anziehenden und abstoßenden Kräften.
Beide Prinzipien bewirken jedoch, dass sich die Materialien durch die entgegengesetzten Kräfte nicht nahe kommen, d.h. zwei Magnete 36 mit der gleichen magnetischen Orientierung stoßen einander umso mehr ab, je näher sie zusammengebracht werden. Ähnlich verhält sich ein Supraleiter und erzeugt einen konstanten Abstand 44 von dem Magnetfeld 40, wobei jedoch der Magnetfluss des Magnetfeldes 40 nicht verändert wird. Daher kann ein Supraleiter ein großes Gewicht zum Schweben bringen.
Durch die oben beschriebene Anordnung 14 werden supraleitende Materialien an Bord eines Fluggerätes 10 gebracht, um ein Schweben zu ermöglichen, wodurch die üblichen Fahrwerke ersetzt werden können. Somit ist sowohl bei Passagierflügen als auch bei kommerziellen Flügen eine Verringerung des Gesamtgewichtes des Fluggerätes 10 und auch ein anderes Fluggerätdesign möglich, bei dem beispielsweise kleinere Motoren, andere Flügeldesigns sowie verbesserte Unterbauten möglich sind.
Zusätzlich kann die Lautstärke in der Kabine verringert werden und bei Passagierflügen ein größerer Passagierkomfort erreicht werden. Während des Starts sowie beim Landen werden weniger Vibrationen von dem Boden auf das Fluggerät 10 übertragen, da es kein Fahrwerk mehr aufweist. Daher wird die Landung weicher, weil keine Beeinflussung durch den Boden mehr vorliegt. Vielmehr gleitet das Fluggerät 10 in eine "Magnetfeldfalle" und behält seinen Schwebezustand bei. Das Rollen auf einem Rollfeld 76 ist ebenfalls weicher, wobei das Fluggerät 10 durch ein Trägerfahrzeug, insbesondere während der letzten Phase des Rollens auf die Parkposition zu, sowie während des Parkens, unterstützt werden kann.
Auch andere Arten von Fluggeräten 10 können von dem Vorhandensein von Supraleitern profitieren, beispielsweise unbemannte Fluggeräte 10, Militärfluggeräte sowie Marschflugkörper. Bei unbemannten Fluggeräten 10 können Supraleiter dabei helfen, den kompakten und leichten Aufbau dieser Arten von Fluggeräten 10 zu unterstützen und können dazu beitragen, eine große Flexibilität beim Starten und Landen auf jeglichem Untergrund zu ermöglichen. Supraleiter bei Militärfluggeräten ermöglichen vorteilhaft einen schnelleren und kürzeren Start bzw. ein schnelleres und kürzeres Landen, was insbesondere bei Verwendung von Flugzeugträgern sinnvoll ist. Zusätzlich haben Supraleiter den Vorteil, dass sie zur Verlängerung einer Missionsdauer beitragen können, da sie im Vergleich zu konventionellen Fahrwerken leichter sind.
Bekannte Supraleiter haben eine Supraleitungs–Übergangstemperatur, die so genannte kritische Temperatur, über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff. Diese Supraleiter sind beispielsweise als Kupferoxidsupraleiter oder Hochtemperatursupraleiter klassifiziert. Es sind jedoch auch bereits Supraleiter bekannt, die eine Übergangstemperatur zur Supraleitung im Bereich des Gefrierpunktes von Wasser oder bei Raumtemperatur haben.
Es ist auch möglich, Fluggeräte 10 zu verwenden, die Supraleiter–Antriebe 50 aufweisen und entsprechend supraleitende Kabel, wobei flüssiger Stickstoff 60 zum Kühlen des Supraleiter–Antriebes 50 verwendet werden kann. Dabei kühlt der flüssige Stickstoff 60 Supraleiter an Bord des Fluggerätes 10 wie beispielsweise Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) 30 oder Bismutstrontiumcalciumkupferoxid (BSCCO) 32. Sowohl YBCO 30 als auch BSCCO 32 sind gut untersuchte Hochtemperatursupraleiter.
Bei der Verwendung von Brennstoffzellen 52 in Fluggeräten 10 werden kryokomprimierter flüssiger Wasserstoff oder verflüssigter Wasserstoff 64 verwendet, um die Brennstoffzellen 52 mit Brennmaterial 72 zu versorgen. Dieser Wasserstoff 64 kann auch für die Kühlung von Supraleitern an Bord des Fluggerätes 10 verwendet werden.
In den 2 und 3 sind Konzepte dargestellt, wie Supraleiter an Bord eines Fluggerätes 10 integriert sein können.
Durch die Verwendung von Supraleitern im Fluggerät 10 kann ein Schweben ermöglicht und die Hauptmaschinen des Fluggerätes 10 beim Bremsen während der Landung bzw. zum Startantrieb unterstützt werden. Dabei ist angedacht, den Hauptantriebsschub durch die Hauptmaschinen des Fluggerätes 10 bereitzustellen.
Neben den Supraleitern an Bord von Fluggeräten 10 ist es nötig, Führungsbahnen 12 mit darin eingebetteten Elektromagneten 38 zum Schweben bereitzustellen, um so ein Starten, eine kontrollierte Landung und ein Bremsen zu ermöglichen.
Im Prinzip ist es möglich, ein Fluggerät 10 mit darin integrierten Supraleitern auf jeglicher Oberfläche zu landen, solange ein Magnetfeld 40 bereitgestellt wird, auf dem es landen kann. D.h. es ist möglich, auf Wasser, Gras, Sand usw. zu landen, solange elektromagnetische Bahnen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Fluggerät 10 in einem Notfall auf einem Feld landen, wenn eine elektromagnetische Bahn durch eine Notfall-Crew ausgelegt worden ist.
Bezugszeichenliste

10: Fluggerät
12: Führungsbahn
14: Anordnung
16: Fluggerätbereich
18: supraleitender Bereich
20: vorderer Teilbereich
22: hinterer Teilbereich
24: hochtemperatursupraleitendes Material
26: Keramik
28: Cuprat
30: YBCO
32: BSCCO
34: Magnetfelderzeugungseinrichtung
36: Magnet
38: Elektromagnet
40: Magnetfeld
42: Pfeil
44: Abstand
46: Kühleinrichtung
48: Antrieb
50: Supraleiter–Antrieb
52: Brennstoffzelle, Antrieb
54: stickstoffbasierte Kühleinheit
56: wasserstoffbasierte Kühleinheit
58: erstes Reservoir
60: flüssiger Stickstoff
62: zweites Reservoir
64: verflüssigter Wasserstoff
66: erste Leitung
68: zweite Leitung
70: dritte Leitung
72: Brennmaterial (nicht gezeigt)
74: Fluggeräteinheit
76: Rollfeld
78: Start– und Landebahn
80: Flughafen
82: Energiequelle
84: Steuerung
86: transportable Führungsbahn
88: Generator
B: Magnetfeld
T: Temperatur
T_c: kritische Temperatur

Claims

Anordnung (14) aus einem Fluggerät (10) und einer Führungsbahn (12) zum Führen des Fluggeräts (10), wobei zum Beabstanden des Fluggerätes (10) von der Führungsbahn (12) das Fluggerät (10) wenigstens einen supraleitenden Bereich (18) und die Führungsbahn (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) zum Erzeugen eines Magnetfelds (40) aufweist.
Anordnung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bereich (18) ein hochtemperatursupraleitendes Material (24) aufweist, insbesondere ein Material, das bei Temperaturen größer als dem Siedepunkt von Stickstoff supraleitende Eigenschaften aufweist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bereich (18) mit wenigstens einer Keramik (26), insbesondere mit wenigstens einem Cuprat (28), gebildet ist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bereich (18) mit Yttriumbariumkupferoxid (30) und/oder Bismuthstrontiumcalciumkupferoxid (32) und/oder mit Quecksilberbariumcalciumkupferoxid und/oder mit Quecksilberthalliumbariumcalciumkupferoxid gebildet ist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (46) zum Kühlen des supraleitenden Bereichs (18) vorgesehen ist.
Anordnung (14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (46) eine stickstoffbasierte Kühleinheit (54) zum Kühlen des supraleitenden Bereichs (18) mit flüssigem Stickstoff (60) und/oder eine wasserstoffbasierte Kühleinheit (56) zum Kühlen des supraleitenden Bereichs (18) mit kryokomprimiertem Wasserstoff und/oder mit verflüssigtem Wasserstoff (64) aufweist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (46) zum Kühlen weiterer zu kühlender Fluggeräteinheiten (74) und/oder zum Versorgen von Brennstoffzellen (52) mit Brennmaterialien (72) ausgebildet ist.
Anordnung (14) nach einemder Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bereich (18) in einem beim Annähern an die Führungsbahn (12) zur Führungsbahn (12) gerichteten Fluggerätbereich (16) angeordnet ist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (10) ein bemanntes oder unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder ein Helikopter, oder ein Marschflugkörper ist, wobei das Fluggerät (10) insbesondere einen Antrieb (48) auf Basis von Supraleitern aufweist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) wenigstens einen Magneten (36), insbesondere wenigstens einen Elektromagneten (38), mehr insbesondere eine Vielzahl von Magneten (36), aufweist, wobei insbesondere eine Energiequelle (82) zum Versorgen des wenigstens einen Elektromagneten (38) mit elektrischer Energie und/oder eine Steuerung (84) zum Aktivieren und/oder Deaktivieren des wenigstens einen Elektromagneten (38) vorgesehen ist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) in die Führungsbahn (12) eingebettet ist.
Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn (12) transportabel ist oder dass die Führungsbahn (12) eine ortsfeste Start- und Landebahn (78) oder ein ortsfestes Rollfeld (76) an einem Flughafen (80) ist.
Verfahren zum Beabstanden eines Fluggerätes (10) von einer Führungsbahn (12), wobei an und/oder in dem Fluggerät (10) ein supraleitender Bereich (18) und an und/oder in der Führungsbahn (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) bereitgestellt wird, wobei das Fluggerät (10) an die Führungsbahn (12) angenähert wird und wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) wenigstens bei Erreichen eines vorbestimmten Abstands (44) von Fluggerät (10) zu Führungsbahn (12) ein Magnetfeld (40) erzeugt.
Fluggerät (10) zur Verwendung in einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Fluggerät (10) ein Fahrwerk mit einem supraleitenden Bereich (18) aufweist.