Transactions in Bionic Patents: Bodeneffekt nutzendes Vorsegel für Segelboote

Transactions in Bionic Patents

Traktat über die Beiträge zu den ”Transactions in Bionic Patents”

Die ”Transactions in Bionic Patents” bilden eine Sammlung von Schriften zu Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen im Themenfeld Biologie & Technik die in loser Reihenfolge und Terminus erscheint.

Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der ”Transactions in Bionic Patents” sind Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit aktuellen Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre patentrelevante Umsetzung.

Mit den ”Transactions in Bionic Patents” soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten Patente und Gebrauchsmuster frei von Rechten Dritter und mit ausdrücklicher Genehmigung der Patentanmelder und Inhaber dem Leser dieser Schriften zur Nutzung verfügbar werden. Gleichzeitig wird ein tieferes Verständnis der Bionik innerhalb des Fachs und der Öffentlichkeit her- und ein rezentes Problemfeld wirklichkeitsnah und verständlich dargestellt. Als Übergeordneter Aspekt gilt es, Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene zu untersuchen, auszuleuchten und Fragestellungen die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik nachzugehen sowie Forschung und Ausentwicklung zum Thema anzustoßen Die Beiträge zur Schriftensammlung ”Transactions in Bionic Patents” sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text kann eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt werden; Art, Umfang, Anordnung und Organisation der Textteile sind dem Autor überlassen und frei. Die englische Fassung soll den Umfang der deutschen Fassung nicht überschreiten.

In einer Ausgabe der Schriftensammlung ”Transactions in Bionic Patents” soll nur ein Werk platziert werden. Der Text kann durch Abbildungen ergänzt werden; die Bildrechte und andere Urheberrechte sind dabei zu achten.

Die jeweiligen Gebrauchsmuster- oder Patentschriften sind dem Anhang beigefügt.

Gebrauchsmuster Nr. 20 2012 011 868.4

IPC B63H 9/06

Bezeichnung:Bodeneffekt nutzendes Vorsegel für Segelboote in Differentialbauweise .

Tag der Anmeldung 07. 12. 2012

Tag der Eintragung 04. 02. 2013

Anmelder Dienst, Mi. 13437 Berlin

Technische Beschreibung

Bodeneffekt nutzendes Vorsegel für Segelboote in Differentialbauweise

Die Erfindung bezeichnet ein Bodeneffektsegel und betrifft einen textilen Tragflügel (Segel für Segelfahrzeuge, insbesondere Segeljollen und Yachten), der bei Halb- und Amwindkursen zusätzlich zum Hauptsegel in einem flachen Winkel zur Wasseroberfläche gefahren wird und dazu dient, vertikale Auftriebskräfte zu generieren.

Das Bodeneffektsegel ist ein bauchiges, asymmetrisch dreieckiges Vorsegel, das aus relativ leichtem Segeltuch hergestellt wird und sich für Amwindkurse und Halbwindkurse eignet.

Stand der Technik und der Wissenschaft.

Die theoretischen Grundlagen des Bodeneffekts sind die des endlichen, Auftrieb erzeugenden Tragflügels. Der Bodeneffekt ist ein physikalisches Phänomen, das aus der Minderung des induzierten, weil auftriebbedingten, Widerstands der Randkantenumströmung eines fluidmechanisch wirksamen Strömungskörpers resultiert. In Bodennähe verändern sich die aerodynamischen Verhältnisse von Tragflächen. Der Auftrieb wird vergrößert, der Auftriebsschwerpunkt wandert nach hinten und der Luftwiderstand wird kleiner. Wenn es gelingt, den auftriebsbedingten Widerstand zu vermeiden, können Tragflächen mit hohen Wirkungsgraden realisiert werden. Segelflugzeuge können im Bodeneffekt unter geringerem Höhenverlust eine wesentlich weitere Strecke als die dem Gleitwinkel entsprechende zurücklegen. Faustregel: Der Bodeneffekt tritt auf, wenn die Flughöhe gleich oder kleiner als die halbe Flügelspannweite des Tragflügels ist [www-4].

Bei biologischen Fliegern wurde das bodennahe Gleiten und auch der Kraftflug dicht über der Wasseroberfläche schon vor geraumer Zeit beobachtet und beschrieben. Übertragungen der Naturbeobachtungen in künstliche, technische Flugsysteme erfolgten zunächst durch Prof. Dr. A. M. Lippisch in den 60er Jahren. Wieselberger, Assistent von Prof. Prandtl in Göttingen, hatte bereits 1920/21 eine Theorie der Bodeneffekte an Tragflügeln veröffentlicht. Sie beruhte auf der Annahme, dass der induzierte Widerstand bei Annäherung eines Tragflügels an den Boden vermutlich kleiner wird. Praktische Versuche mit kleinem Bodenabstand und großer Flügeltiefe haben damals nicht stattgefunden. Der Finne Kaairo hatte 1932 ein Patent auf die Nutzung des den Bodeneffektes an einem Schlittenfahrzeug erhalten. Es lag nur in finnischer Sprache vor und lange Zeit unbekannt.

Biologie. Fliegende Fische. Es gibt etwa 40 Arten in der Familie der fliegenden Fische. Sie kommen vornehmlich in gemäßigten Zonen vor. Die größten Exemplare erreichen eine Körperlänge von 0,45 [m]. Es sind Zwei- und Vierflügler bekannt. Im Laufe der Evolution haben sich die Brustflossen der Tiere zu dünnhäutigen Tragflächen entwickelt. Detaillierte Untersuchungen ergaben aber einen erstaunlichen Wirkmechanismus. Unter Wasser erreicht der Flugfisch eine Geschwindigkeit von maximal 10 [m/s]. Mit dieser Geschwindigkeit schwimmt er in einem flachen Winkel an die Wasseroberfläche, durchstößt sie und stützt sich sodann mit der typisch herausragenden Kante seines Körpers auf den Wasserspiegel. Seine Brustflossen bilden nun eine zur Wasseroberfläche hin gewölbte Tragfläche aus. Der Fisch fliegt. Dieser Flugzustand nahe am Wasserspiegel wird durch den oben angeführten Bodeneffekt begünstigt. Den Vortrieb leistet aber weiterhin die Schwanzflosse des Fisches. Er bewegt er sich nun so schnell, dass nur noch die untere Hälfte der Schwanzflosse wie eine Schiffsschraube im Medium Wasser arbeitet. Diese Antriebsart in Verbindung mit dem Bodeneffekt höchst effizient. Das bodennahe Fliegen im Medium Luft ist extrem widerstandsarm, die Energieeinkopplung, der Antrieb, erfolgt aber im Wasser. Mit Bodeneffekt und Hydroantrieb beschleunigt der Fisch nun auf eine Geschwindigkeit von bis zu 20 [m/s]. Unter einem Winkel von etwa 10 Grad hebt er von der Wasseroberfläche ab und erreicht dabei eine Flughöhe von 0,5 bis 5 [m]. Durch schnelles Schwingen des Schwanzes beschleunigt ervon neuem, dabei entsteht so viel Auftriebskraft, dass er sich wieder in die Luft erhebt. Während der Flucht wendet er diesen Trick drei bis viermal an und fliegt ähnlich wie ein auf die Oberfläche eines Teiches geworfener flacher Kieselstein mehrmals über die Wasseroberfläche [Greg-85].

Fluggeräte. In Bodennähe verändern sich die aerodynamischen Verhältnisse von Tragflächen von Flugzeugen. Bei Flügen mit einem Tiefdecker in Bodennähe führt der Bodeneffekt dazu, dass das Flugzeug wesentlich länger schwebt, als das beispielsweise bei einem Hochdecker der Fall ist. Bei Bodeneffektfahrzeugen (Ekranoplan) handelt es sich meist um Wasserflugzeuge, die für den Tiefflug unter Ausnutzung des Bodeneffekts konstruiert sind und daher nur für bestimmte Einsatzzwecke geeignet sind. Bodeneffektfahrzeuge können einerseits Flächenflugzeuge sein, die auch für größere Höhen flugtauglich sind. Andererseits werden Bodeneffektfahrzeuge dann verwaltungstechnisch als Schiffe geführt, wenn die niedrige Flughöhe Bodeneffektfahrzeuge dazu zwingt, verkehrstechnisch mit Schiffen und Booten zu interagieren, sich also dem Schifffahrtsrecht zu unterwerfen. Aus diesem Grund heißen diese Geräte auch „Bodeneffektfahrzeuge, obwohl es physikalisch gesehen Luftfahrzeuge sind, die fliegen (dynamischer Auftrieb, Flugzeuge) und nicht fahren (statischer Auftrieb, Luftschiffe) [www-04].

[...]