DE102007024931A1

DE102007024931A1 - Gewichtsreduziertes, flexibles Verbundschichtmaterial für Leichter-Als-Luft-Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102007024931A1
Application number: DE200710024931
Authority: DE
Inventors: Paul E. Wooster Liggett; James I. North Canton Mascolino
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20070281570A1; JP2007320313A

Abstract

Ein Verbundschichtmaterial für Leichter-als-Luft-Fahrzeuge umfasst mindestens eine monofile Garnschicht, eine Filmschicht mit hohem Modul, die benachbart zu der mindestens einen monofilen Schicht ist und optional verstärkende Faser oder anorganischen Füller umfasst, und eine metallisierte Beschichtung, die benachbart zu der Filmschicht mit hohem Modul ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung richtet sich im Allgemeinen auf Leichter-als-Luft-Fahrzeuge. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen verbesserten Gewebeverbundschichtaufbau, der für Leichter-als-Luft-Fahrzeuge benutzt wird. Ganz besonders richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Verbundschichtaufbau, der leichtgewichtig ist, über hohe Festigkeitsmerkmale verfügt und den Einsatz von Leichter-als-Luft-Fahrzeugen bei sehr großen Höhen zulässt.
STAND DER TECHNIK
Leichter-als-Luft-Fahrzeuge umfassen Prallluftschiffe, aerostatische Luftschiffe, bemannte und unbemannte Ballone und Luftschiffe für große Höhen und werden in vielen verschiedenen Anwendungen benutzt. Die Rumpfstruktur des Leichter-als-Luft-Fahrzeugs (LTA) kann aus einem unstarren, flexiblen geschichteten Gewebe gebildet werden. Das geschichtete Rumpfgewebe kann eine Absperrfilmschicht umfassen, die hilft, das Auftriebsgas einzudämmen. Klebstoffe können benutzt werden, um die Schichten miteinander zu verbinden.
Unstarre Leichter-als-Luft-Fahrzeuge erfordern ein bestimmtes minimales Schermodul, um Durchhängen oder Verdrehverformung des Rumpfes zu verhindern. In der Vergangenheit wurde der notwendige Schermodul durch ein geschichtetes Rumpfgewebe erreicht, das eine schräge Stofflagenschicht umfasst. Während die schräge Stofflage zu dem Schermodul beiträgt und die Reißfestigkeit des Schichtgewebes beträchtlich erhöht, erhöht die schräge Stofflagenschicht ebenfalls das Gewicht des Rumpfgewebes.
Es besteht deshalb Bedarf an einem Rumpfgewebe, das leichtgewichtig ist und gleichzeitig eine gute Festigkeit aufweist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Vorangegangenen ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein gewichtsreduziertes, flexibles Verbundschichtgewebematerial für Leichter-als-Luft-Fahrzeuge bereitzustellen.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verbundschichtmaterial bereitzustellen, das mindestens eine monofile Garnschicht, eine zu der mindestens einen monofilen Garnschicht benachbarte Absperrfilmschicht, optional mit dazwischen liegendem Klebstoff, und eine zu der Absperrschicht benachbarte metallisierte Beschichtung umfasst, wobei mindestens eine der Absperrfilmschichten oder Klebstoffschichten einen Verstärkungsfüller aufweist.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher im Verlauf der ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden wird, wird durch ein Verbundschichtmaterial erreicht, das eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht, eine schräge Stofflage einer monofilen Garnschicht, die an der geraden Stofflage durch eine erste Klebstoffschicht befestigt ist, eine Absperrfilmschicht, die an der schrägen Stofflage der Garnschicht durch eine zweite Klebstoffschicht befestigt ist, eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Absperrfilmschicht befestigt ist und eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist, umfasst, wobei mindestens eine der ersten Klebstoffschicht oder zweiten Klebstoffschicht einen verstärkenden Füller aufweist, und wobei das Gewicht der schrägen Stofflage der monofilen Garnschicht reduziert ist im Vergleich zu dem Gewicht einer Verbundschicht, die gleichwertige Festigkeit aufweist, aber keinen verstärkenden Füller aufweist.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher im Verlauf der ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden wird, wird durch ein Verbundschichtmaterial erreicht, das eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht, eine Absperrfilmschicht, die an der geraden Stofflage der Garnschicht befestigt ist und einen verstärkenden Füller aufweist, eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Absperrfilmschicht befestigt ist, und optional eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist, umfasst.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Leichter-als-Luft-Fahrzeug erreicht, das einen Rumpf aufweist, wobei der Rumpf ein Verbundschichtmaterial aufweist, das eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht, eine Absperrfilmschicht, die an der geraden Stofflage der Garnschicht befestigt ist und einen verstärkenden Füller aufweist, eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Absperrfilmschicht befestigt ist, und optional eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist, umfasst.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher im Verlauf der ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden wird, wird durch ein Leichter-als-Luft-Fahrzeug erreicht, das einen Rumpf aufweist, wobei der Rumpf ein Verbundschichtmaterial aufweist, das eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht, eine schräge Stofflage einer monofilen Garnschicht, die an der geraden Stofflage durch eine erste Klebstoffschicht befestigt ist, eine Absperrfilmschicht, die an der schrägen Stofflage der Garnschicht durch eine zweite Klebstoffschicht befestigt ist, eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Absperrfilmschicht befestigt ist und eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist, umfasst, wobei mindestens eine der ersten Klebstoffschicht oder zweiten Klebstoffschicht einen verstärkenden Füller aufweist und wobei das Gewicht der schrägen Stofflage der monofilen Garnschicht reduziert ist im Vergleich zu dem Gewicht einer Verbundschicht, die gleichwertige Festigkeit aufweist, aber keinen verstärkenden Füller aufweist.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung wie auch deren Vorteile gegenüber Formen des bestehenden Stands der Technik, welche ersichtlich werden durch die nachfolgende Beschreibung, werden erfüllt durch die hier nachfolgend beschriebenen und beanspruchten Verbesserungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollverständiges Verstehen der Aufgaben, Techniken und des Aufbaus der Erfindung, sollte Bezug genommen werden auf die folgende ausführliche Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen, wobei:
1 eine perspektivische Zeichnung eines Leichter-als-Luft-Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Zeichnung eines Verbundschichtmaterials im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine perspektivische Zeichnung eines Verbundschichtmaterials im Querschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 kann ersehen werden, dass ein Leichter-als-Luft-Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen durch die Ziffer 10 gekennzeichnet ist. Obwohl das Fahrzeug 10 offensichtlich ein Leichter-als-Luft-Fahrzeug ist, wird verstanden werden, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung, die auf einen flexiblen Verbundschichtaufbau gerichtet sind, auf jedes andere Leichter-als-Luft-Fahrzeug anwendbar sind, wie etwa ein aerostatisches Luftschiff, ein Prallluftschiff oder jedes andere Leichter-als-Luft-Fahrzeug, das angebunden oder unangebunden ist. Zum Beispiel könnte die vorliegende Erfindung in Heißluftballons, normalen Heliumballons, Wetterballons, Segeln, Fallschirmen und jeder Anwendung, bei der leichtgewichtige, hochfeste Materialien für kritische Anwendungen benötigt werden und gleichzeitig den Unerbittlichkeiten einer Freilandumgebung standhalten müssen, benutzt werden. In jedem Falle weist das Fahrzeug 10 einen Rumpf 12 ohne Flossen oder mit mindestens einer Stabilisierungsflosse 14 auf. Wenn keine Flossen vorgesehen sind, ist es wahrscheinlich, dass ein Stabilisierungselement, wie etwa ein gerichtetes Gebläse benutzt werden kann. Obwohl eine längliche Form für den Rumpf gezeigt wird, wird verstanden werden, dass jede Form – Kugel, Ellipse, parabelförmig, tränenförmig, etc. – benutzt werden kann. Das Fahrzeug kann eine Nutzlast 16 tragen, welche Personal, Überwachungsgeräte, Wetteraufzeichnungsausrüstung, Kommunikationsmittel, wissenschaftliche Forschungsinstrumente und Ähnliches umfassen kann.
Die Größe der Nutzlast schwankt im Allgemeinen entsprechend der Größe des Fahrzeugs. Die Nutzlast kann äußerlich (wie gezeigt), innerlich, oder in das Material eingearbeitet, wie etwa für Radar-Sende/Empfangs-Anwendungen, getragen werden.
Das Fahrzeug 10 ist mit einem umschließenden Material aufgebaut, das viele wünschenswerte Eigenschaften aufweist. Im Allgemeinen sind diese wünschenswerten Eigenschaften Reißfestigkeit, Kriechfestigkeit, hohe Festigkeit und Leichtgewichtigkeit, was eine Erhöhung der Nutzlastgröße und die Fähigkeit, extremen Temperatur- und Druckschwankungen zu widerstehen, zulässt. Angesichts dieser weiten Temperatur- und Druckschwankungen muss das Material ebenfalls unter vielen Bedingungen flexibel sein. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass das Verbundschichtmaterial gegen Ozon und ultraviolettes Licht beständig ist und die notwendigen Gasdurchlässigkeitsmerkmale aufweist. Beständigkeit gegen Reißen, verursacht durch Geschosse, Einstiche und Ähnlichem ist vorteilhaft. Es ist für das Verbundschichtmaterial wünschenswert, die Fähigkeit für große Flughöhen aufzuweisen. Es wird angenommen, dass die hier vorgestellten Bauweisen es zulassen, dass das Fahrzeug 10 in Höhen innerhalb der Troposphäre und Stratosphäre arbeitet. In bestimmten Ausführungsformen weist das umschließende Material gute thermische Handhabung und einen guten Schermodul auf und ist in der Lage, statische Elektrizität abzuleiten und Blitzschutz bereitzustellen.
Wie am besten in 2 ersichtlich, ist ein Verbundschichtmaterial gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen mit der Ziffer 20 gekennzeichnet. Das Material 20 weist eine innere Oberfläche 22 und eine äußere Oberfläche 24 auf, die der inneren Oberfläche 22 gegenüberliegt. Leichtgewichtige Verbundschicht materialien für Leichter-als-Luft-Fahrzeuge werden in der U.S.-Patentschrift 6,979,479 und der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/231,569 beschrieben, welche beide hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden. Der Aufbau des Schichtmaterials 20 wird allgemein beschrieben, und dann werden die verschiedenen Eigenschaften, die jede Schicht von Material bereitstellt, ausführlich besprochen.
Eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht 25 bildet die innere Oberfläche 22. Eine optionale schräge Stofflage einer monofilen Garnschicht 35 kann an die gerade Stofflagenschicht 25 mit der optionalen Klebstoffschicht 30 geklebt sein. Wenn die optionale schräge Stofflage einer monofilen Schicht 35 vorhanden ist, wird die Filmschicht 45 an die schräge Stofflagenschicht 35 geklebt und die Klebstoffschicht 40 wird zwischen der schrägen Stofflagenschicht 35 und der Filmschicht 45 aufgetragen. In einer Ausführungsform ist die Filmschicht 45 metallisiert. Mit anderen Worten, eine Metallbeschichtung kann auf die Filmschicht 45 aufgetragen werden, um eine Metallbeschichtungsschicht 50 zu bilden. In einer Ausführungsform kann die Metallbeschichtungsschicht 50 an der nach außen zugewandten Fläche der Filmschicht 45 angebracht sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Metallbeschichtungsschicht 50 an der inneren Fläche der Filmschicht 45 angebracht sein. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Metallbeschichtungsschicht 50 sowohl an der inneren als auch an der äußeren Fläche der Filmschicht 45 angebracht sein. Die reflexionsverstärkende Schicht 52 kann an der Metallbeschichtungsschicht 50 befestigt sein. Optional kann eine klare Abdeckfilmschicht 55 an der Metallbeschichtungsschicht 50 oder an der reflexionsverstärkenden Schicht 52 befestigt sein. Die Abdeckschicht 55 kann ebenfalls die äußere Oberfläche 24 bilden.
In einer weiteren Ausführungsform, gezeigt in 3 und im Allgemeinen durch die Ziffer 20 gekennzeichnet, sind die schräge Stofflage einer monofilen Schicht 35 und die Klebstoffschicht 30 nicht vorhanden. In dieser Ausführungsform bildet eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht 25 die innere Oberfläche 22. Eine Klebstoffschicht 40 wird zwischen die gerade Stofflagenschicht 25 und die Absperrfilmschicht 45 aufgetragen.
In beiden Ausführungsformen kann die Schicht 25 als eine gerade Stofflage beschrieben werden. Mit „gerader Stofflage" ist gemeint, dass die Garne unter ungefähr 0 und 90 Grad zueinander ausgerichtet und im Wesentlichen parallel zu der Umfangs- und der Axialrichtung des Luftschiffrumpfes sind. In bestimmten Ausführungsformen erfüllt die gerade Stofflagenschicht 25 die hauptsächlichen Festigkeitsanforderungen für den Luftschiffaufbau.
Die Art von monofilem Garn, das in der Schicht 25 eingesetzt wird, ist nicht besonders eingeschränkt. Handelsüblich erhältliche monofile Garne umfassen Polyamide, Polyester, Aramide, Flüssigkristallpolymere, Karbon, Polybenzoxazol und Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Garn mit hoher Zähigkeit, wie etwa Karbon, oder diejenigen die als M5^® (DuPont), Vectran^®, Zylon^®, Dyneema^® und Spectra^® gekennzeichnet sind, eingesetzt werden. In einer Ausführungsform weist die Flüssigkristallpolymerfaser der Schicht 25 Vectran^® oder ein gleichwertiges Material auf.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die gerade Stofflagenschicht 25 ein gewebtes Stoffgewebe, das Kett- und Füllgarne, ganz wie ein Tuchmaterial, aufweist. Ein weiter Bereich von Festigkeiten ist möglich. Tatsächlich weist in einer Ausführungsform die Kettrichtung der geraden Stofflagenschicht 25 eine Zugfestigkeit von ungefähr 200 bis 2000 Pfund pro Inch (3,57 bis 35,74 kg/mm) und in Füllrichtung eine Zugfestigkeit von ungefähr 120 bis 1200 Pfund pro Inch (2,14 bis 21,45 kg/mm) auf. Das Flüssigkristallpolymerfasermaterial weist ebenfalls ausgezeichnete Kriechbeständigkeit und Biegeermüdungsbeständigkeit auf. Das Webmuster kann unregelmäßige Lücken oder periodische Gruppen von gebündelten Garnen zum Zwecke des Reduzierens des Gesamtgewichts der Verbundschicht bereitstellen, und um ein Reißen zu stoppen in dem Falle, dass ein Geschoss oder ein Projektil die Verbundschicht durchschlägt.
Die mindestens eine monofile Garnschicht kann gewebt oder nicht gewebt sein. Deshalb ist in einer weiteren Ausführungsform die gerade Stofflagenschicht 25 nicht gewebt. Zum Beispiel sind die Kett- und Füllgarne der Schicht 25 eher zusammen geschichtet und vernäht oder verknüpft, als zusammen gewebt.
Die optionale Schicht 35 kann als schräge Stofflage beschrieben werden. Mit „schräger Stofflage" ist gemeint, dass die Kett- und Füllgarne unter einem Winkel von ungefähr 30 bis 60 Grad zu den Kett- und Füllgarnen der geraden Stofflagenschicht 25 ausgerichtet sind. In bestimmten Ausführungsformen stellt die schräge Stofflagenschicht 35 Schermodul und Reißfestigkeit für den Luftschiffaufbau bereit.
Die Art von Monofilgarn, die in der schrägen Stofflagenschicht 35 eingesetzt wird, ist nicht besonders eingeschränkt und kann aus allen hier vorangehend beschriebenen Monofilgarnen für die gerade Stofflagenschicht 25 ausgewählt werden. In einer Ausführungsform weist die Schicht 35 Vectran^® oder ein gleichwertiges Material auf.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die schräge Stofflagenschicht ein gewebtes oder nicht gewebtes Stoffgewebe, das Kett- und Füllgarne aufweist, wie für die gerade Stofflagenschicht 25 beschrieben. In einer Ausführungsform kann die schräge Stofflagenschicht 35 durch Nähen oder Verknüpfen mit der geraden Stofflagenschicht 25 verbunden werden, um die Notwendigkeit für die Klebstoffschicht 30 zu eliminieren. Es wird verstanden werden, dass die Schichten 25 und 35 jedes Kett/Füllmuster benutzen können, das die Festigkeit maximiert und gleichzeitig das Gewicht minimiert. Außerdem sind die Schichten 25 und 35 nicht in irgendeiner Art von Trägermaterial eingeschlossen oder eingelassen, das andererseits die Flexibilitäts- Reiß← oder Festigkeitseigenschaften der in den Schichten benutzten Garne einschränken würde.
Die Absperrfilmschicht 45 kann jeden Film mit hohem Modul umfassen, wie Polyamid, Flüssigkristallpolymer, Polyethylen-Teraphtalat (PET), Polyethylen-Napthalat (PEN) und Polyimidfilme. Beispiele von Polyimidfilmen umfassen Kapton^® oder gleichwertiges Material. Im Allgemeinen ist der Modul ein Maß für den Widerstand gegen Längung der Faser oder das Verhältnis der Spannungsänderung zur Dehnungsänderung, nachdem der Crimp von der Faser entfernt wurde. In bestimmten Ausführungsformen weist der Film mit hohem Modul einen Zugmodul von mindestens ungefähr 218.000 psi (1.502.020 kPa) auf, in anderen Ausführungsformen beträgt der Zugmodul mindestens ungefähr 261.000 psi (1.798.290 kPa), in anderen Ausführungsformen beträgt der Zugmodul mindestens ungefähr 290.000 psi (1.998.100 kPa).
In einer oder mehreren Ausführungsformen stellt die Absperrfilmschicht 45 einen ausgezeichneten Vorspannmodul bereit und ist ebenfalls ein ausgezeichnetes Gasabsperrmaterial, um das bevorzugte Leichter-als-Luft-Material, wie etwa Helium, innerhalb des Rumpfaufbaus zu halten. In einer Ausführungsform wirkt die Filmschicht 45 mit hohem Modul als eine Gasabsperrung oder Gasbarriere, um Helium oder Ähnliches zurückzuhalten.
Die Dicke der Absperrfilmschicht 45 ist nicht besonders eingeschränkt. In einer Ausführungsform reicht die Dicke der Filmschicht von ungefähr 0,3 bis ungefähr 2 Tausendstel Inch (7,6 bis 51 μm).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Absperrfilmschicht 45 Verstärkungsfüller auf. Beispiele von Verstärkungsfüllern umfassen Ruß, pyrogene Kieselsäure, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern, Nanoclay und Ähnliches. Die Menge des zu dem Absperrfilm zugefügten Verstärkungsfüllers ist nicht besonders eingeschränkt, solange es eine wirksame Menge ist, um den Modul der Absperrfilmschicht zu erhöhen. In einer Ausführungsform weist die Absperrfilmschicht 45 Verstärkungsfüller in einer Menge von mindestens ungefähr 2 Gewichtsprozent (Gew. %) auf, basierend auf dem Gesamtgewicht der Absperrfilmschicht 45. In einer weiteren Ausführungsform weist die Absperrfilmschicht 45 Verstärkungsfüller in einer Menge von mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent (Gew. %) auf, basierend auf dem Gesamtgewicht der Absperrfilmschicht 45. In bestimmten Ausführungsformen weist der Absperrfilm Verstärkungsfüller in einer Menge von ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gew. % auf, basierend auf dem Gesamtgewicht der Absperrfilmschicht 45. In einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Absperrfilmschicht 45 Verstärkungsfüller in einer Menge von ungefähr 2 bis 10 Gew. % auf, basierend auf dem Gesamtgewicht der Absperrfilmschicht 45.
Die Metallbeschichtungsschicht 50 ist mit der äußeren Fläche der Filmschicht 45 mit hohem Modul verbunden. Geeignete Metalle umfassen hoch reflektierende Metalle wie etwa Silber, Aluminium, Gold und Kupfer. In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet die Metallbeschichtungsschicht 50 Aluminium. Aluminiumbeschichtete Polyimidfilme sind handelsüblich erhältlich von Shedahl Technical Materials aus Northfield, Minnesota. Alternativ kann die Filmschicht 45 mit hohem Modul mit Metallfilmen und -folien durch Prozesse beschichtet werden, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind. Prozesse, um Metalle auf Kapton^® ohne Klebstoff aufzutragen, sind bekannt, zum Beispiel Aufdampf- und Aufspritztechniken.
Die Dicke der Metallbeschichtungsschicht 50 ist nicht besonders eingeschränkt, sollte aber ausreichend sein, um Durchlässigkeit von Sonnenstrahlung zu verhindern. Die Beschichtung kann die Form einer dünnen Folie, eines aufgedampften Films oder aufgesputterten Films aufweisen. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke der dünnen Folie von ungefähr 0,2 bis ungefähr 1 Tausendstel Inch (5 bis 25 μm). In einer oder mehreren Ausführungsformen, wird die Metallbeschichtungsschicht 50 in einer Dicke von ungefähr 800 bis ungefähr 1200 Ångström aufgetragen, und in einer Ausführungsform wird die Metallbeschichtungsschicht 50 in einer Dicke von ungefähr 1000 Ångström aufgetragen.
Ein Zweck der Metallbeschichtung ist, die Sonnenstrahlung für die thermische Handhabung zu reflektieren. Andere Zwecke der Metallbeschichtung sind statische Aufladung abzuleiten, Heliumdurchlässigkeit zu reduzieren und Beschädigung durch Blitzeinschläge zu reduzieren.
Die reflexionsverstärkende Schicht 52 kann an der Metallbeschichtungsschicht 50 angebracht sein. Die reflexions verstärkende Schicht 52 kann einen Polymerfilm, wie etwa 3M photonische Filterfilme oder dielektrische Materialien, wie etwa Titandioxid, Siliziumdioxid oder Hafniumdioxid aufweisen. Die Schicht 52 kann Reflexion verstärken und/oder einen Bandsperr-Reflektor (notch reflector) für eine spezifische Bandbreite von Sonnenstrahlung bereitstellen. Wenn eingesetzt, kann die Polymer- oder dielektrische Beschichtung 52 mit einer optischen Schichtdicke von einem Viertel der Wellenlänge (QWOT) oder einem Vielfachen davon aufgetragen werden. QWOT-Techniken umfassen den Prozess des Auftragens von aufeinander folgenden Schichten von Materialien mit unterschiedlichen Brechungskoeffizienten, wodurch das Reflexionsvermögen der Beschichtung erhöht wird. Die Materialien in den Schichten, die Dicken der Schichten und die Brechungskoeffizienten der Schichten können ausgewählt werden, um wahlweise Sonnenstrahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren.
Optional wird die klare Abdeckfilmschicht 55 an der Metallbeschichtungsschicht 50 angebracht. Wenn die reflexionsverstärkende Schicht 52 vorhanden ist, kann die klare Abdeckfilmschicht 55 an der reflexionsverstärkenden Schicht 52 angebracht werden. Die klare Abdeckfilmschicht 55 kann jeden Film umfassen, der beständig gegen Ozon und ultravioletter Bestrahlung ist. Brauchbare Filme umfassen ebenfalls Korrosionsschutzfilme. Beispiele von geeigneten Filmen umfassen Polyvinylidenfluorid.
Mit „klar" ist gemeint, dass der Film keine wesentlichen Mengen von Pigmenten oder Feststoffmaterialien enthält, die den Film trüb oder unklar erscheinen lassen, oder andererseits das Reflexionsvermögen der Metallbeschichtungsschicht mindern.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Abdeckfilmschicht 55 ferner einen fluoreszierenden Farbstoff. Jeder fluoreszierende Farbstoff, der den Film nicht trüb oder unklar erscheinen lässt, oder andererseits schädlich auf die Eigenschaften des Films wirkt, kann benutzt werden. Beispiele von fluoreszenten Farbstoffen umfassen handelsüblich erhältliche, optische Aufheller. In einer Ausführungsform kann der fluoreszierende Farbstoff bei einer Überprüfung der Abdeckfilmschicht 55 benutzt werden, um Mängel oder Beschädigung in der Abdeckschicht zu erkennen. Zum Beispiel kann ultraviolettes Licht oder Schwarzlicht auf das Verbundschichtmaterial gerichtet werden. Bereiche, die nicht fluoreszieren, zeigen mögliche Lücken oder Unregelmäßigkeiten in der Abdeckschicht.
Abdeckfilmschicht 55 kann mit der Metallbeschichtungsschicht 50 oder der reflexionsverstärkenden Schicht 52 durch Benutzung eines Klebstoffs, wie etwa einem thermoplastischen oder einem duroplastischen Klebstoff, verklebt werden. Alternativ kann die Abdeckfilmschicht 55 direkt auf die Metallbeschichtungsschicht 50 oder die reflexionsverstärkende Schicht 52 aufgegossen werden. Deshalb ist in einer oder mehreren Ausführungsformen keine Klebstoffschicht zwischen der Abdeckfilmschicht 55 und der Metallbeschichtungsschicht 50 oder der reflexionsverstärkenden Schicht 52 notwendig. In einer oder mehreren Ausführungsformen stellt das Abdeckfilmmaterial ausgezeichneten Schutz gegen ultraviolettes Licht und Ozon bereit, während gleichzeitig Reflexion von Sonnenstrahlung von der Metallbeschichtungsschicht 50 ermöglicht wird.
In bestimmten Ausführungsformen verstärkt die Abdeckfilmschicht 55 auch die thermische Regelung des Fahrzeugs und reduziert seine Infrarotsignatur. Mit anderen Worten, die Metallschicht 50 reflektiert ungefähr 85 bis 95 % der Sonnenstrahlung in ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotbereichen des Sonnenspektrums, während die Abdeckfilmschicht 55 als ein Strahler im Bereich des mittleren bis fernen Infrarots wirkt, um Wärmeaufbau in dem Rumpfgewebematerial zu minimieren.
Eine oder mehrere Schichten 25, 35, 45 und 55 sind durch Klebstoffschichten aneinander gebunden. Geeignete Klebstoffe umfassen thermoplastische und duroplastische Klebstoffe. Spezifische Beispiele von Klebstoffen umfassen Polyurethan-Klebstoffe, die Flexibilität bei niedrigen Temperaturen beibehalten.
Das Klebstoffmaterial bindet die Schichten aneinander und kann jegliche Fehlstellen und Lücken, die angetroffen werden können, auffüllen. In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die geraden Stofflagen- und die schrägen Stofflagenschichten derart geschichtet, dass die Eindringung des Klebstoffs in die Schichten minimiert wird und Steifigkeit des Stoffgewebes und Reduzierung der Reißfestigkeit des Stoffgewebes vermieden wird. Insbesondere kann der Klebstoff auf die Oberfläche der Garnschichten aufgelegt werden, ohne in dem Garn eingeschlossen zu werden.
Eine oder mehrere Klebstoffschichten können verstärkende Fasern oder anorganische Füller aufweisen, um mechanische Eigenschaften zu verbessern. Anorganische Füller umfassen Ruß, pyrogene Kieselsäure, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern, Nanoclay und Ähnliches. Vorteilhafterweise kann die Zugabe von verstärkendem Füller die Festigkeit und den Modul des laminierenden Klebstoffs erhöhen, ohne sein Gewicht wesentlich zu erhöhen. In einer oder mehreren Ausführungsformen lässt die größere Festigkeit, die durch die verstärkte Klebstoffschicht beigetragen wird, eine Reduzierung der monofilen Garne der schrägen Stofflagenschicht 35 zu, und dies führt zu einem reduziertem Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35.
Normalerweise weist eine schräge Stofflagenschicht in einem Rumpfstoffgewebe für LTA-Fahrzeuge ein Gewicht von ungefähr 1,5 oz/yd² (50,85 g/m²) auf. Vorteilhafterweise kann das Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35 reduziert werden gemäß der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform beträgt das Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35 zwischen 0 und ungefähr 1 oz/yd² (33,9 g/m²). In einer Ausführungsform wird das Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35 reduziert um ungefähr 50 % oder auf weniger als 0,75 oz/yd² (25,4 g/m²). In einer weiteren Ausführungsform wird das Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35 gänzlich eliminiert.
In diesen oder anderen Ausführungsformen weist das geschichtete Stoffgewebe, das eine verstärkte Klebstoffschicht und eine im Gewicht reduzierte schräge Stofflagenschicht aufweist, ein größeres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf als geschichtetes Stoffgewebe, das eine herkömmliche, schräge Stofflagenschicht, aber keinen verstärkenden Füller in den Klebstoffschichten aufweist. In einer Ausführungsform wird ein herkömmlich geschichtetes Stoffgewebe, das eine schräge Stofflagenschicht und ein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von ungefähr 194 aufweist, durch Zugeben von verstärkendem Füller zu der Absperrschicht und durch Reduzieren des Gewichts der schrägen Stofflagenschicht um ungefähr 50 Prozent modifiziert. Das sich ergebende Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht beträgt ungefähr 218. In einer weiteren Ausführungsform wird das herkömmlich geschichtete Stoffgewebe durch das Eliminieren der schrägen Stofflagenschicht und durch Zugeben von ver stärkendem Füller zu der Absperrfilmschicht und der Klebstoffschicht zwischen der geraden Stofflagenschicht und der Absperrschicht modifiziert. Das sich ergebende Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist ungefähr 259. In bestimmten Ausführungsformen verbessert der verstärkende Füller in der Klebstoffschicht die Haftung zu Tuchschichten, erhöht Nahtfestigkeit, oder stellt gleichmäßigere Verteilung der Belastung um gerissene oder beschädigte Garne bereit.
In Ausführungsformen, bei denen die Absperrfilmschicht 45 einen verstärkenden Füller aufweist, kann das Gewicht der schrägen Stofflagenschicht 35 reduziert werden, während gleichzeitig gute Festigkeit erhalten bleibt. In bestimmten Ausführungsformen können die schräge Stofflagenschicht 35 und die Klebstoffschicht 30 gänzlich eliminiert werden und das Gewicht des geschichteten Rumpfstoffgewebes kann ungefähr um bis zu 30 Prozent reduziert werden. In einer Ausführungsform beträgt das Gewicht des geschichteten Rumpfstoffgewebes 20 weniger als ungefähr 6,75 oz/yd² (228,8 g/m²), und in einer weiteren Ausführungsform beträgt das Gewicht des geschichteten Rumpfstoffgewebes 20 weniger als 5,1 oz/yd² (172,9 g/m²). In einer oder mehreren Ausführungsformen beträgt das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht des Rumpfstoffgewebes 20 von ungefähr 218 bis ungefähr 259.
Wie verstanden werden wird, werden der Rumpf 12 und die Flossen 14 normalerweise nicht aus einem einzigen Stück des geschichteten Materials 20 hergestellt. Demgemäß werden Streifen oder Muster des Materials aneinander gelegt, während gleichzeitig alle die Eigenschaften des geschichteten Materials bereitgestellt werden. Das Verfahren des Verbindens von Streifen ist nicht besonders eingeschränkt. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Stoßfugenanordnung benutzt, wie die, die in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung Serien-Nr. 10/388,772 beschrieben wird, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist. In anderen Ausführungsformen werden andere Verfahren benutzt, wie etwa Nähen, Spleißen, Klebeband und Ähnliches.
Basierend auf dem Vorangegangenen sind die Vorteile des vorliegenden Verbundschichtmaterialaufbaus leicht ersichtlich. Insbesondere stellen die vorliegenden Bauweisen Eigenschaften für hohe Festigkeit und Leichtgewichtigkeit bereit, die maximale Flughöhen der Leichter-als-Luft-Fahrzeuge zulassen, während gleichzeitig eine Leichtgewichtsbauweise bereitgestellt wird, um die Menge der Nutzlast zu erhöhen, die von dem Fahrzeug 10 getragen werden kann. Tatsächlich wiegt die bevorzugte Verbundschicht oder das Material weniger als 8 Unzen pro Quadratyard (271,2 g/mm²). Die Kombination der Materialien stellt ausgezeichnete Permeabilität bereit, um das Leichter-als-Luft-Gas zurückzuhalten. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls dadurch vorteilhaft, dass die Materialien flexibel sind und weiten Temperaturschwankungen widerstehen können, die irgendwo von –130°F (–90°C) bis +158°F (+70°C) reichen. In bestimmten Ausführungsformen wird die Absperrschicht verstärkt, um den Schermodul der Stoffgewebeverbundschicht zu verbessern, während gleichzeitig die schräge Stofflagenschicht reduziert oder eliminiert wird, um das Stoffgewebegewicht zu reduzieren. In anderen Ausführungsformen weist eine Klebstoffschicht verstärkenden Füller auf, der den Schermodul und die Reißfestigkeit der Stoffgewebeverbundschicht verbessert.
Deshalb ist ersichtlich, dass die Aufgaben der Erfindung durch den vorangehend vorgestellten Aufbau und sein Verfahren zur Benutzung erfüllt wurden. Obwohl hier nur die beste Art und bevorzugte Ausführungsform vorgestellt und ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf oder dadurch eingeschränkt ist. Demgemäß, für ein Verständnis des wahren Umfangs und der Bedeutung der Erfindung sollte Bezug genommen werden auf die folgenden Ansprüche.

Claims

Verbundschichtmaterial, folgendes umfassend: mindestens eine monofile Garnschicht; eine Filmschicht mit hohem Modul, die zu der mindestens einen monofilen Garnschicht benachbart ist; einen Klebstoff, der zwischen der monofilen Garnschicht und der Filmschicht mit hohem Modul aufgetragen ist; und eine metallisierte Beschichtung, die benachbart zu der Filmschicht mit hohem Modul ist, wobei der Klebstoff und/oder die Filmschicht mit hohem Modul eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller aufweist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine im Wesentlichen klare Abdeckfilmschicht, die benachbart zu der metallisierten Beschichtung ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 2, wobei die Abdeckfilmschicht Polyvinylidenfluorid umfasst.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die monofile Garnschicht eine gerade Stofflagengarnschicht ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine erste Stofflagengarnschicht; und eine zweite Stofflagengarnschicht, die unter einem Winkel von ungefähr 30 bis ungefähr 60 Grad zu der ersten Stofflage ausgerichtet ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 5, ferner einen ersten Klebstoff umfassend, der zwischen den Garnschichten aufgetragen ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 6, ferner einen zweiten Klebstoff umfassend, der zwischen der zweiten Stofflagengarnschicht und der Filmschicht mit hohem Modul aufgetragen ist.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Klebstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die thermoplastische Klebstoffe und duroplastische Klebstoffe enthält.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8, wobei der Klebstoff ferner verstärkende Faser oder anorganischen Füller umfasst.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die verstärkende Faser oder der anorganische Füller aus einer Gruppe ausgewählt ist, die geperlten Ruß, pyrogene Kieselsäure, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern und Nanoclay enthält.
Verbundschichtmaterial, folgendes umfassend: eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht; eine Filmschicht mit hohem Modul, die an der geraden Stofflagenschicht befestigt ist, wobei die Filmschicht eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller umfasst; eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Filmschicht mit hohem Modul befestigt ist; und eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 11, wobei die gerade Stofflagenschicht einen gewebten oder nicht gewebten Aufbau umfasst, der Kettgarne und Füllgarne aufweist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 11 oder 12, wobei die gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht Polyamid, Polyester, Aramid, Flüssigkristall-Polymerfaser, Karbon, Polybenzoaxazol, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder ein Gemisch davon umfasst.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Film mit hohem Modul ein Polyimid umfasst.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die verstärkende Faser oder der anorganische Füller aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ruß, pyrogene Kieselsäure, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern und Nanoclay enthält.
Verbundschichtaufbau nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Metallbeschichtungsschicht eines oder mehrere aus der Gruppe von Silber, Aluminium, Gold und Kupfer umfasst.
Verbundschichtaufbau nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner eine reflexionsverstärkende Schicht umfassend, die mit der Metallbeschichtungsschicht verbunden ist, wobei die reflexionsverstärkende Schicht einen mehrschichtigen Polymerfilm oder dielektrischen Film, der aus Titandioxid, Siliziumdioxid oder Hafniumdioxid ausgewählt ist, umfasst, und wobei die klare Abdeckfilmschicht an der reflexionsverstärkenden Schicht befestigt ist.
Verbundschichtmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die klare Abdeckfilmschicht Polyvinylidenfluorid umfasst.
Verbundschichtmaterial, folgendes umfassend: mindestens eine monofile Garnschicht; eine Filmschicht mit hohem Modul, die an der Garnschicht mit einer zwischenliegenden Klebstoffschicht befestigt ist, wobei die Klebstoffschicht eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller umfasst; eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Filmschicht mit hohem Modul befestigt ist; und eine klare Abdeckfilmschicht, die an der Metallbeschichtungsschicht befestigt ist.
Verbundschichtmaterial nach Anspruch 19, wobei die monofile Garnschicht eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht und eine schräge Stofflage einer monofilen Garnschicht, die an der geraden Stofflagenschicht mit einer zwischenliegenden Kleb stoffschicht befestigt ist, umfasst, wobei die Klebstoffschicht eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller umfasst.
Leichter-als-Luft-Fahrzeug, folgendes umfassend: einen Rumpf; wobei der Rumpf mindestens ein Stück eines Verbundschichtmaterials aufweist, welches umfasst: eine gerade Stofflage einer monofilen Garnschicht; eine Filmschicht mit hohem Modul, die an der geraden Stofflagenschicht befestigt ist; und eine Metallbeschichtungsschicht, die an der Filmschicht mit hohem Modul befestigt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 21, wobei die Filmschicht eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 21, wobei die Verbundschicht ferner umfasst: Polyurethan-Klebstoff, der zwischen der geraden Stofflagenschicht und dem Film mit hohem Modul aufgetragen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 23, wobei der Klebstoff eine verstärkende Faser oder einen anorganischen Füller umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Metallbeschichtungsschicht eines oder mehrere aus der Gruppe Silber, Aluminium, Gold und Kupfer umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die gerade Stofflage ein gewebter, nicht gewebter, durch Nähen oder Verknüpfen verbundener Aufbau ist, der Kettgarne und Füllgarne aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die Schicht mit hohem Modul ein Polyimid umfasst.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 27, ferner eine reflexionsverstärkende Schicht umfassend, die mit der Metallbeschichtungsschicht verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 28, ferner eine klare Abdeckschicht umfassend, die mit der reflexionsverstärkenden Schicht verbunden ist.