Rotationsflügelaggregat in Boxwing-Konfiguration zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge

„Transactions in suffering Innovations“

Ideen verbrennen im Park

Der Wedding ist heute wunderschön und ich fühl` mich seltsam stark.

Was hält mich da noch im Labor?

Wir gehen zum Led Zeppelin,

der gefällt mir mehr als je zuvor, bei ungefähr tausend Kelvin.

Komm, lass uns Patente verbrennen im Park.

Mi. Berlin 2019

Den Ausführungen sei ein Traktat vorangestellt. Die Textbeiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ besitzen ein dynamisches Format und sind, beginnend im November 2016, in folgender Weise geordnet und Überschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Traktat

über die Beiträge zum Stand der Technik und zu den „Transactions in Suffering Innovations“

Die „Transactions in Suffering Innovations“ bilden eine Sammlung von Schriften über Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Es besteht durchaus die Absicht, den Stand der Technik zu verändern.

Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der „Transactions in Suffering Innovations“ sind Artefakte, Problemlösungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fällen sind Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent und Markenrechts¹ verfasst.

Mit den „Transactions in Suffering Innovations“ soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslösungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrücklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfügbar werden.

In den „Transactions in Suffering Innovations“ werden ausschließlich Artefakte offeriert, die nicht unter das Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG² fallen oder in der Vergangenheit fielen.

Die in den „Transactions in Suffering Innovations“ dargestellten Artefakte sind insofern notleidend, da sie einerseits aus materieller Not nicht weiterverfolgt werden, ein Umstand der sich vielleicht wieder ändern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie möglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr ändern wird.

Als Übergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoßen, die Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.

Die Beiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausführungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.

Mi. Dienst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Rotationsflügelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge

Technische Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein vertikal wirkendes Aggregat mit Rotationsflügel zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge und beschreibt einen Autogyro-Hydro-Antrieb mit Repeller in Zweiflügel-Boxwing-Konfiguration. Als Boxwing (englisch: box wing oder box-wing bzw. joint wing) wird eine besondere (eines offenen Kastens ähnliche) Tragflächen-anordnung nach Stand der Technik, insbesondere für Flugzeuge bezeichnet. Kleine Seefahrzeuge in dem oben benannten Sinne sind Wake- und Surfboards, Segelsurfboards und Jollen. Der Rotationsflügel des Autogyro-Hydro-Antriebs ist zweiarmig und seine rotierenden Arbeitstragflächen sind freilaufend ausgeführt. Im Betrieb, bei Bewegung des Seefahrzeugs und Fahrrichtung und durch geeignete Anströmung gerät der Rotationsflügel autonom, passiv und zwangsläufig in Eigenrotation (Autogyroprinzip) und produziert eine Auftriebskraft, die senkrecht auf der Rotationsebene steht. Das vertikal wirkende Drehflügel-Aggregat in Boxwingkonfiguration (nachfolgend „Hydro-Copter“ genannt) entspricht seitens seiner Anwendung und in seiner Betriebsweise einem so genannten Hydrofoil. Hydrofoils vom Stand der Technik dienen ebenso zur Anmontage an Segelsurfboards und Jollen vom Stand der Technik und dient der vertikalen Querkrafterzeugung im Unterwasserbereich. Der Hydro- Copter ist fluiddynamisch als Arbeitsmaschine betreibbar und die vom Seefahrzeug in Bewegung erzeugte (Auftriebs-) Querkraft des Rotationsflügels des Autogyro- Hydro-Antriebs wird zum (vertikalen) Anheben des Seefahrzeugs genutzt. Generell ist der Hydrocopter geeignet, im Zusammenwirken mit einem Surfboard und einem Surfsegel vom Stand der Technik ein mobiles Gesamtsystem abzubilden. Surfboard und Surfsegel sind nicht Gegenstand der Erfindung. Für die Lehre über das gestalterische Prinzip eines Rotationsflügelaggregates und insbesondere für die Dimensionierung des Rotors des Hydro-Copters ist eine vereinfachende Theorie anzusetzen.

Stand der Technik. Autogyro-Prinzip.

Das Rotationsflügelaggregat zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge nutzt das physikalisch-fluiddynamische Funktionsprinzip der aerodynamischen Tragschrauber vom Stand der Technik. Tragschrauber-Fluggeräte sind interessant für Anwendungen mit geringen Betriebs-geschwindigkeiten. Tragschrauber, auch Autogyro, Gyrokopter oder Gyrocopter genannt, sind Drehflügler, die in ihrer Funktionsweise einem Hubschrauber ähneln. Der Rotor wird passiv durch den Fahrtwind in Drehung versetzt (Autorotation). Der Auftrieb in Fahrt ergibt sich dabei durch die aerodynamische Querkraft des drehenden Rotorblattsystems. Bei Gyrokoptern von Stand der Technik erfolgt der horizontale Vortrieb wie beim Starrflügelflugzeug meist durch ein Propellertriebwerk. Als Erfinder des Tragschraubers gilt der Spanier Juan de la Cierva, der seinen Autogiro als geschützten Markennamen im Jahr 1923 bekannt machte. Nach einer (allerdings heute nicht mehr zeitgemäßen) Theorie der Tragschrauber entsteht Autorotation immer dann, wenn das Rotorblatt im inneren

Bereich der Rotorebene einen hohen Anstellwinkel hat derart, so dass eine das Blatt beschleunigende Kraft resultiert. Im äußeren Durchmesser hingegen bremst die Resultierende das Blatt. Beschleunigende und Resultierende sind im stationären Flug im Gleichgewicht. Variiert (erhöht) man den Anstellwinkel der Rotorebene, verschiebt sich die Grenze zwischen beschleunigendem und abbremsendem Bereich nach außen und damit zugunsten der Beschleunigung und der Rotor erhöht seine Drehzahl. Der (orthonormal auf der Rotorebene wirksame) vertikale Überschuss wird als Hub nutzbar (Tragschrauber), bzw. im Fall des Flugaggregats mit Rotationsflügeln wird die dieserart senkrecht auf der Rotationsebene stehende Querkraft als Vortrieb nutzbar.

Eine geschlossene Theorie der Gyrocopter besteht bis Dato nicht. Moderne Berechnungs-ansätze, die einer Festlegung geometrischer Parameter in der frühen Phase der Produkt-entwicklung dienen, gehen von einer Gleichzeitigkeit der Wirkungen der Autogyro-Rotoren als sowohl Kraft- und als Arbeitsmaschine aus. Dieser Ansatz führt auf willkommene Vereinfachungen bei der Gestaltung der Rotorblätter.

Stand der Technik. Tragflächen in Mehrdeckerkonfiguration.

Strömungsmechanische Berechnungen und theoretische Überlegungen legen nahe, dass Kraft- und Arbeitstragflügel in Mehrdecker-Tragflächenkonfiguration mit gleicher Fläche und spezifischer Tragflächenbelastung einer entsprechenden Eindeckerkonfiguration auf betrags-mäßig gleiche Auftriebs- und Widerstandskräfte führen, sofern die durch das Auftriebs-gebaren der induzierten Widerstände nicht betrachtet werden. Hier sind die Schlankheits-grade der Teiltragflächen und die Profiltiefe von großem Einfluss und können glückliche Konfigurationen oder ungünstige Verhältnisse annehmen. Immer jedoch bedeuten sie ein mehr oder ein etwas weniger an Verzehr der in das Tragflächensystem eingespeisten Antriebsleistung je nachdem, wie der Mehrdeckertragflügel konfiguriert ist. Die Kontrolle der durch das Auftriebsgebaren einer (oder mehrerer) Kraft- und Arbeitstragflächen induzierten Verluste ist Gegenstand rezenter Forschung.

Stand der Wissenschaft. Tragflügeln in Boxwing-Konfiguration

Als Boxwing (englisch: box wing oder box-wing bzw. joint wing) wird eine besondere Tragflächenanordnung nach Stand der Technik insbesondere für Flugzeuge bezeichnet. Flug-zeugtragflächen nach Stand der Technik in Boxwing-Konfiguration wird stabiles Flugverhal-ten zugesprochen. Durch die Kompaktheit der Boxwing- Bauweise für Flugzeugtragflächen nach Stand der Technik ist die mechanische Festigkeit hoch.

Louis Blériot konstruierte 1906 einen Doppeldecker mit Tragflügeln in einer boxwing-artigen Konfiguration. Die ersten aerodynamischen Berechnungen zur Boxwing-Konfiguration wurden 1924 von Ludwig Prandtl veröffentlicht. Die erste Anwendung des Boxwing-Konzepts in der heute angewendeten Form geht auf Alexander Lippisch zurück, der Anfang der 1930er einen entsprechenden Doppeldecker entwarf.

Anmerkung: Louis Charles Joseph Blériot (* 1. Juli 1872 in Cambrai; † 2. August 1936 in Paris) war ein französischer Luftfahrtpionier. Mit der Blériot XI überquerte er am 25. Juli 1909 als erster Mensch den Ärmelkanal in einem Flugzeug. Sein Flug von Calais nach Dover dauerte 37 Minuten bei einer durchschnittlichen Flughöhe von 100 Metern. Ludwig Prandtl (* 4. Februar 1875 in Freising; † 15. August 1953 in Göttingen) war ein deutscher Ingenieur. Er lieferte bedeutende Beiträge zum grundlegenden Verständnis der Strömungsmechanik und entwickelte die Grenzschichttheorie. Alexander Martin Lippisch (* 2. November 1894 in München; † 11. Februar 1976 in Cedar Rapids, Iowa, USA) war ein in Deutschland und in den USA tätiger deutscher Flugzeugkonstrukteur. Er gilt international als „Vater“ des Deltaflügels.

Tragflügel für Rotationsflügelaggregate in Boxwing-Konfiguration sind nicht Stand der Technik.

Stand der Technik. Kleine foilende Seefahrzeuge.

Tragflügel- oder Tragflächenboote sind Hochgeschwindigkeitswasserfahrzeuge, die bei steigender Geschwindigkeit mittels des dynamischen Auftriebs unter Wasser liegender Tragflügel (Hydrofoils) während der Fahrt angehoben werden. Sobald der Rumpf das Wasser nicht mehr berührt, „schwebt“ das Seefahrzeug über die Wasseroberfläche. Da sich dann nur ein kleiner Teil des Fahrzeugs (Tragflügel und Propeller sowie das Ruderblatt) unterhalb der Wasseroberfläche befindet, werden die Verdrängung und der Reibungswiderstand deutlich reduziert. Dadurch wird bei Motorfahrzeugen gleicher Antriebsleistung eine größere Geschwindigkeit erreicht. Hydrofoils werden auch zunehmend im Segelsport eingesetzt. Für kleine Segeljollen und für Segelsurfboards sind Hydrofoils Stand der Technik.

Problembeschreibung

Hydrofoils vom Stand der Technik sind einfache, robuste, effiziente und bezogen auf die Geometrie des Seefahrzeugs, vergleichsweise kleine Anbauten im Bereich des Unterwasser-schiffs. Allerdings ist die zur Vertikalbewegung des Seefahrzeugs erforderliche Querkraft-erzeugung von stationärer Art. Dies setzt der Optimierung des Bauraums eines Hydrofoils Grenzen.

Dynamische Auftriebssysteme, wie Rotationsflügelaggregate zur Anmontage im Unter-wasserbereich kleiner Seefahrzeuge, die das physikalisch-fluiddynamische Funktionsprinzip der Tragschrauber nutzen, sind nicht Stand der Technik.

Problemlösung

Die Leistungsdichte eines Rotationsflügels ist aus physikalischen Gründen erheblich größer als die eines Starrflügels und damit auch eines flächen- und baurumgleichen Hydrofoils vom Stand der Technik. Die Erfindung nach Anspruch 1 betrifft die Lehre über das gestalterische Prinzip eines Rotationsflügelaggregates in Boxwing- Konfiguration zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge. Das Rotationsflügelaggregat entspricht in seiner Betriebsweise in Fahrt der eines Hydrofoils vom Stand der Technik. In Fahrt erzeugt der Rotationsflügel in Boxwing- Konfiguration Auftriebskräfte nach dem „Autogyro-Prinzip“.

Erreichbare Vorteile

Das Rotationsflügelaggregat in Boxwing-Konfiguration zur Anmontage im Unterwasser-bereich kleiner Seefahrzeuge ist ein Sportgerät und dient in erster Linie dem Freizeit-vergnügen. Da aber das gestalterische Prinzip der Anmontage und auch die Betriebsweise des Hydro-Copters der eines Hydrofoils vom Stand der Technik entspricht, kommt dem Rotationsflügelaggregat ein informativer und pädagogischer Wert bei. Theoretische Überlegungen lassen den berechtigten Schluss zu, dass das Rotationsflügelaggregat in Boxwing-Konfiguration wesentlich weniger Bauraum erfordert als ein leistungsgleiches Hydrofoil vom Stand der Technik. Mit einem Rotationsflügelaggregat für kleine Seefahrzeuge wird bereits bei geringer Geschwindigkeit ein hoher Betrag an Auftriebskraft erzeugt, was energetisch und wirtschaftlich vorteilhaft ist.

Aufbau und Wirkungsweise.

Das Rotationsflügelaggregat in Boxwing-Konfiguration nach Anspruch 1 dient zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge. Das Rotationsflügelaggregat wird nachfolgend weiter als Hydro-Copter bezeichnet. Der Rotor BWR in Boxwing-Konfiguration, das Pylon WP und das Finnenterminal TER des Hydro-Copter bilden eine organisatorische und konstruktive Einheit. Die Abbildung Figur 1 zeigt skizzenhaft und schematisch das Rotationsflügelaggregat bestehend aus Rotor in Boxwing-Konfiguration, Pylon und Finnenterminal in einer Anordnung zur Anmontage im Unterwasserbereich eines Segelsurfboards vom Stand der Technik. Die Tragflügel des Rotors R sind in geeigneter Weise, nach Stand der Technik und der Wissenschaft, zu profilieren. Der Querschnitt des Pylons WP soll eine strömungsmechanisch günstige Form aufweisen. Das Finnenterminal TER soll den handelsüblichen Standards vom Stand der Technik entsprechen. Das Tragflügelprofil der Drehflügel des Rotosr in Boxwing-Konfiguration soll tradierten Standards vom Stand der Technik entsprechen.

Bezeichnungen, verwendet in Skizze Figur 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Segelsurfboard BRD und Segel SAI sind nicht Gegenstand der Erfindung. Der Rotationsflügel BWR des Hydro-Copters ist am distalen (dem Bootkörper abgewandten) Ende des Pylons „fliegend“ gelagert und befindet sich im Betrieb des Hydro-Copters im Freilauf. Die Drehachse des Rotors und damit die Rotationsebene EROT ist gegenüber einer Senkrechten zur Hauptbewegungsrichtung geneigt derart, dass eine Anstellung gegenüber der Hauptströmungsrichtung herrscht. Dieser Anstellwinkel ist für die Wirkungsweise des Hydro-Copters wesentlich. Zum Antrieb eines Segelsurfboards dient das Surfsegel. Segeldruckpunkt SDP und Gewichtsschwerpunkt GSP sowie die Summe aller äußeren Kräfte stehen im stationären Zustand des Fahrsystems in einem Gleichgewicht. In Fahrt vollführt der Rotationsflügel in Boxwing-Konfiguration BWR des Hydro-Copters nach Anspruch 1 eine Drehbewegung, die von einer passiven Beaufschlagung des Rotorsystems herrührt. Gleichzeitig liefert das Rotorsystem – gemäß der Physik einer fluidmechanischen Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium - eine Schubkraft (Lift L), die hinsichtlich Größe und Wirkrichtung geeignet ist, das Seefahrzeug vertikal bis zur (Hoover-) Betriebswasserlinie HWL anzuheben. anzuheben. Dieses Wechsel-wirkungsgeschehen ist die Idee des Hydro-Copters nach Anspruch 1.

Weiterführende Literatur, Quellenhinweise und Entgegenhaltungen

[1] Prandtl, L., 1924, Induced drag of multiplanes, NACA TN-182.

[7] Woodward, R. et. al., 1991, Takeoff/ Approach Noise for a Model Counterrotation Propeller with a Forward Swept Upstream Rotor, NASA TM-105979, AIAA-930596.

[9] Avellán, R. & Lundbladh, A., 2012, Air Propeller Arrangement and Aircraft, US Patent Application US2012/0288474A1, filed on Dec 28, 2009.

[14] Brandt, J.B. & Selig, M.S., 2011, Propeller Performance Data at Low Reynolds numbers, AIAA-2011-1255.

Anmerkungen:

Louis Charles Joseph Blériot (* 1. Juli 1872 in Cambrai; † 2. August 1936 in Paris) war ein französischer Luftfahrtpionier. Mit der Blériot XI überquerte er am 25. Juli 1909 als erster Mensch den Ärmelkanal in einem Flugzeug. Sein Flug von Calais nach Dover dauerte 37 Minuten bei einer durchschnittlichen Flughöhe von 100 Metern. Ludwig Prandtl (* 4. Februar 1875 in Freising; † 15. August 1953 in Göttingen) war ein deutscher Ingenieur. Er lieferte bedeutende Beiträge zum grundlegenden Verständnis der Strömungsmechanik und entwickelte die Grenzschichttheorie. Alexander Martin Lippisch (* 2. November 1894 in München; † 11. Februar 1976 in Cedar Rapids, Iowa, USA) war ein in Deutschland und in den USA tätiger deutscher Flugzeugkonstrukteur. Er gilt international als „Vater“ des Deltaflügels.

Tragflügel für Rotationsflügelaggregate in Boxwing-Konfiguration sind nicht Stand der Technik.

Schematische Abbildung Figur 1: Hydro-Copter: vertikal wirkendes Aggregat mit Rotationsflugel zur Anmontage im Unterwasserbereich kleiner Seefahrzeuge // Michael Dienst 2019.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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¹ https://www.dpma.de/patent/anmeldung/index.html

² Am 7. Februar 2002 trat die Novellierung des Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG in Kraft.