CN101076477A - 用于主动控制飞船的空气静升力的系统 - Google Patents

用于主动控制飞船的空气静升力的系统 Download PDF

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CN101076477A CNA200580040456XA CN200580040456A CN101076477A CN 101076477 A CN101076477 A CN 101076477A CN A200580040456X A CNA200580040456X A CN A200580040456XA CN 200580040456 A CN200580040456 A CN 200580040456A CN 101076477 A CN101076477 A CN 101076477A
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迈克尔·K·瓦尔登
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Abstract

本发明的各个实施例主要涉及一种用于提供飞船的主动竖直控制的系统。更具体地，本发明的至少一个实施例涉及一种用于通过操纵在飞船中容纳的空气与升力气体的比率，并且因此飞船的总体质量而主动地控制飞船的空气静升力的系统。这种操纵通过主动地压缩和/或解压升力气体或内部空气而实现，所形成的压力差根据构造主要由船体和/或内部压力箱承受。

Description

用于主动控制飞船的空气静升力的系统
技术领域
本发明的各个实施例主要涉及用于提供飞船主动竖直控制的系统。更具体地，本发明至少一个实施例涉及用于通过操纵容纳在飞船中的空气对升力气体的比率并且因此飞船总体质量而主动控制飞船空气静升力的系统。这种操纵通过主动压缩和/或解压升力气体而实现，根据构造所形成的压力差主要由船体和/或内部压力箱承受。
背景技术
传统比空气更轻的或浮力航行器(通常称为“飞船”)采用比空气更轻的升力气体，通常为氦气，以提供浮力或“升力”。由于海拔高度改变和变化的大气状态导致的温度和压力改变通常使得容纳在飞船船体中的氦气膨胀或收缩，导致氦气的体积不断变化。为了保持恒定的内部压力，传统飞船采用一个或多个织物气囊。织物气囊是一种被动系统，它通过利用外部空气被动填充或者将空气排放到大气而对于氦气体积的改变做出反应，以弥补氦气体积的改变并且保持船体压力处于可被接受的界限中。传统飞船仅被加压到在飞行和停泊载荷下保持它的船体形状所需的最小程度。
当由升力气体产生的浮力或“升力”大小高于飞船的质量(重量)和它的有效载荷时，获得正浮力(有时将飞船描述成是“静态轻的”)，由此使得飞船能够上升而无需任何其它形式的辅助，例如动态升力和/或导向发动机推力。当由升力气体产生的浮力或“升力”大小低于飞船和它的有效载荷的质量(重量)时，获得负浮力(有时将飞船描述成是“静态重的”)，由此使得飞船下降并且防止它上升或者保持在高处而无需采用某种其它形式的辅助，例如动态升力和/或导向发动机推力。在传统飞船中，除了将氦气释放到大气或者释放一次性压舱物(例如沙或水)，飞行员和全体船员无法主动操纵飞船浮力。
随着燃料被消耗，在飞行期间，为了弥补重量损失，传统飞船通常以静态重的方式开始它的飞行。为了克服这个沉重状态并且变得可被气载，飞船或者需要通过执行类似于飞机的起飞滑跑距离(但是通常较短的长度)而产生动态升力，或者，如果被如此配备，通过使用导向发动机推力以上升到一定海拔高度处，在此处，另外的重量能够再次被向前运动和动态升力承载。即使飞船以静态重的方式起飞，在飞行期间在燃料被消耗之后，它通常以静态轻的方式到达它的目的地，使得着陆控制非常困难。在传统飞船中，这个静态轻的状态仅能通过采用负升力以经由向前空气速度迫降飞船而被克服，或者通过采用导向发动机推力以迫降飞船。负升力方法要求最小长度的飞机跑道或者类似的无阻碍表面以用于有用的操作，而导向发动机推力方法消耗大量燃料并且要求昂贵的导向发动机。
传统飞船的另一缺点是在卸载乘客和货物中经历的困难。即，当乘客和货物被卸载时，飞船变得越发浮起。因此，压舱物(例如沙或水)应该被装载到飞船上以弥补增加的浮力并且随后被卸载以允许飞船再次可被气载。可替代地，飞船可以经由缆绳或其它紧固装置或者通过由导向发动机推力产生的连续弥补的向下作用力被可靠地附着到地面。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种主动密度控制浮力(DCB)系统，通过操纵容纳在飞船中的空气与升力气体的比率并且因此飞船的总体质量，它允许飞船或其它比空气更轻的运输工具实现竖直起飞和降落(VTOL)而无需动态升力或导向发动机推力。这种操纵是通过主动地压缩和/或解压升力气体实现的，根据构造，所形成的压力差主要由船体和/或内部压力箱承受。除了提供竖直控制，该DCB系统也可用于弥补由于操作因素例如燃料消耗、有效载荷互换、周边温度改变、升力气体正或负过热、湿度和/或周边空气压力变化而导致的飞船静态重量的改变。
本发明的一个实施例提供一种主动DCB系统，其中固定容积的船体被填充升力气体以为飞船提供升力。具有一个或多个泵和阀以接收和释放空气的一个或多个柔性隔室和/或一个或多个固定容积的箱被设置在船体中。控制器被构造成在压力下从飞船外部并且进入一个或多个柔性隔室和/或箱地泵送空气。在柔性隔室的情形中，空气被泵送到其中，在压力下对其充气并且然后对着船体压缩升力气体。当升力气体被一个或多个柔性隔室压缩并且移位时，飞船变得静态更重并且浮性更低。在箱的情形中，空气在压力下被泵送到箱中，提高了在箱中的空气质量并且在箱中压缩空气。当箱中的空气质量增加时，飞船变得静态更重并且浮性更低。在任一情形中，如果足够的空气量被泵送到船上，则飞船将变得静态足够重以下降到地面并且甚至当有效载荷被卸载时保持着陆。相反，如果充分的空气量被释放，则飞船将变得静态足够轻以上升。通过泵送变化的空气量进出飞船，飞船的静态重量(并且因此它的上升和/或降落速率)能够被精确地控制。
本发明另一实施例提供一种用于飞船的主动密度控制系统，该飞船包括具有固定容积的船体以容纳升力气体和置于船体中的具有固定容积的箱，该固定容积的箱具有一个或多个泵和/或阀以接收和释放升力气体。控制器被构造成从船体并且进入固定容积箱中地泵送升力气体。当升力气体在压力下被泵送到箱中时，它被从大气泵送到置于船体内部中的一个或多个柔性隔室中的空气取代。飞船以基本等于被泵送到船上的空气质量和压缩升力气体的数量而变得静态更重。控制器还被构造成从固定容积箱将加压升力气体释放回船体中。当升力气体再次进入船体中时，空气被迫使或从一个或多个柔性隔室释放。飞船以基本等于被解压升力气体移置并且释放回大气中的空气质量的数量而变得静态更轻。以此方式，运输工具的静态重量能够根据需要而被改变，因此提供飞船竖直控制。在该实施例中，最大压力差由固定容积的箱承受，并且因此固定容积箱经受压力的能力是重要的。
本发明另一实施例提供一种用于飞船的主动密度控制系统，该飞船包括构造成容纳升力气体的船体，容纳在船体中并且构造成容纳空气的固定容积箱，用于从固定容积箱释放空气以降低飞船静态重量的第一出口装置，和用于将空气引入固定容积箱以提高飞船静态重量的第一进口装置。该系统也可包括容纳在船体中并且构造成容纳空气的一个或多个柔性隔室。而且，该系统可以包括用于从一个或多个柔性隔室释放空气以降低飞船静态重量的第二出口装置，和用于将空气引入一个或多个柔性隔室以提高飞船静态重量的第二进口装置。
本发明另一实施例提供一种用于飞船的主动密度控制系统，该飞船包括容纳升力气体的固定容积的船体和设于船体中的固定容积的箱，该固定容积箱具有容纳空气的第一部分和容纳升力气体的第二部分，固定容积箱的该两个部分被柔性、气体不可渗透的分隔器分离。一个或多个阀和/或泵用于将空气和/或升力气体移动进出固定容积箱。在一个实施例中，控制器被构造成控制一个或多个阀和/或泵以将空气泵送入箱的第一部分，迫使箱的第二部分中的升力气体经由阀进入船体中。在该实施例中，最高压力差由船体承受。在第二实施例中，控制器被构造成控制一个或多个阀和/或泵以将空气泵送到箱的第一部分中，压缩箱的第二部分中的升力气体。在第二实施例中，最高压力差由固定容积的箱承受。在这些实施例中，被泵送到箱中的空气质量增加了飞船的静态重量。控制器也被构造成控制一个或多个阀和/或泵以将空气从箱释放回大气中，由此降低飞船的静态重量，在第一实施例中，允许在船体中的被压缩的升力气体经由泵或阀膨胀回固定容积箱中。在第二实施例中，箱的第二部分中的升力气体当其被减压时膨胀。
船体和/或固定容积箱应该被构造成经受所需的压力差。船体可以是非刚性的、半刚性的、刚性的或者硬壳式结构。该一个或多个柔性隔室可以由织物、塑料、聚合物、合成物或其它柔性不透气体的纺织品制成。该固定容积的箱可以由织物、轻金属、塑料、聚合物、合成物或其它轻的气体不可透的材料或纺织品制成。
附图说明
图1示意采用根据本发明实施例的用于控制飞船上升和降落的密度控制浮力系统的飞船的透视图；
图2示意图1飞船的下侧视图，它采用根据本发明实施例的用于控制飞船上升和降落的密度控制浮力系统；
图3A示意根据本发明实施例的在平衡或上升(即正浮力)中的具有主动密度控制浮力系统的飞船的截面视图，其中船体处于较低压力下；
图3B示意根据本发明实施例的在降落(即负浮力)中的具有主动密度控制浮力系统的飞船的截面视图，其中船体处于较高压力下；
图3C示意根据本发明实施例的具有围绕船体底部表面定位的环形，柔性隔室的飞船截面视图；
图3D示意根据本发明实施例的图3C飞船的透视图，一部分船体被移除以示出在船体中定位的柔性隔室；
图4A示意根据本发明实施例的包括具有压力箱和一个或多个柔性隔室的主动DCB系统的飞船截面视图，其中升力气体被泵送出压力箱以使得飞船上升；
图4B示意根据本发明实施例的包括具有压力箱和一个或多个柔性隔室的主动DCB系统的飞船截面视图，其中升力气体被泵送入压力箱中以使得飞船下降；
图5A示意根据本发明实施例的包括具有压力箱和一个或多个柔性隔室的主动DCB系统的飞船截面视图，其中空气被从压力箱泵送到大气中以使得飞船上升；
图5B示意根据本发明实施例的包括具有压力箱和一个或多个柔性隔室的主动DCB系统的飞船截面视图，其中空气从大气被泵送入压力箱中以使得飞船下降；
图6A示意根据本发明实施例的包括具有压力箱的主动DCB系统的飞船的截面视图，其中空气从压力箱被泵送到大气中并且升力气体从船体中被泵送入压力箱中以使得飞船上升；
图6B示意根据本发明实施例的包括具有压力箱的主动DCB系统的飞船的截面视图，其中空气从大气被泵送入压力箱中并且升力气体从压力箱被泵送入船体中以使得飞船下降。
具体实施方式
现在参考附图描述实施本发明的具有各种特征的实施例的方法和系统。附图和有关描述用于示意本发明实施例而非用于限制本发明的范围。在说明书中对“一个实施例”或者“实施例”的引用是用于说明关于实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明至少一个实施例中。在说明书不同位置中的措辞“在一个实施例中”或“实施例”不必指的都是相同的实施例。在所有附图中，参考数字被再次使用以示意在被引用元件之间的对应。此外，每个参考数字的第一位数表示其中首次出现该元件的图。
在后面的描述中，某些术语被用于描述本发明一个或多个实施例的某些特征。例如，如在这里描述的术语“密度控制浮力系统”或“DCB系统”可以包括但是不必限于通过改变容纳在飞船中的空气与升力气体的比率并且因此飞船总体质量而用于调节飞船静态空气静升力的一种系统。如在这里描述的术语“飞船”可以包括但是不必限于航行器、飞船、软式小型飞船、混合航行器和/或采用升力气体的任何其它运输工具。在一个实施例中，DCB系统可以包括但是不必限于一个或多个箱和/或一个或多个柔性隔室。如在这里描述的术语“箱”可以包括但是不必限于能够容纳流体、气体和/或其它物质并且能够经受特定内部压力和/或外部压力的装置。箱可以被成形为例如圆形、椭圆形、球形、柱形、环形箱、环形室或关于有关飞船的构造适用于容纳加压气体的任何其它形状或其任意组合。如在这里描述的术语“船体”可以包括但是不必限于能够容纳流体、气体和/或其它物质并且能够经受特定内部压力和/或外部压力的硬壳式结构、刚性、半刚性或非刚性船体、外套或其它围绕物。如在这里描述的术语“柔性隔室”可以包括但是不必限于腔室、袋、气球、巢室、管道或任何其它柔性气体不可透的围绕物。船体、箱和/或柔性隔室可以由很多种材料构造，包括但是不必限于形成为各种尺寸和形状的轻金属、合成物和/或织物。
图1示意采用根据本发明实施例的DCB系统的飞船100的前部透视图。船体102可以由柔性(例如织物)和/或刚性(例如轻金属或合成物)材料或其组合制成，从而单独地或者与内部结构框架一起为飞船100提供结构整体性。船体102可以被构造成球形、扁平球形或椭圆形(即，透镜状或“碟子”形状)、环形、圆的、雪茄烟状(即类似传统的软式小型飞船)和各种其它空气动力学形状。
船体102可被设计成容纳一种或多种升力气体(例如氦、氢、加热空气、氧、其它气体和/或其组合)或者围绕可以容纳该一种或多种升力气体的一个或多个腔室(例如气球或巢室)。升力气体可以提供所有或大部分升力从而很少的或者没有另外的能量被消耗用于在空中升起飞船100。在一个实施例中，船体102和/或内部压力箱可以被加压。
飞船100可以是刚性的(这样一种飞船，它的形状由覆盖有织物的内部框架保持并且它的升力气体被容纳在内部框架中的独立的腔室或多个腔室中)、半刚性的(这样一种飞船，它具有刚性龙骨和由内部气体压力保持的外套形状)或者非刚性的(这样一种飞船，它具有仅由内部气体压力保持的外套形状)。在一个实施例中，船体102也可为由直接容纳一种或多种升力气体的刚性、气体不可渗透的合成物部分制成的硬壳式结构船体。硬壳式结构船体为飞船100提供刚性而不要求独立的刚性内部框架。在另一实施例中，船体102包括加压柔性织物外套，它利用围绕船体102的周边设置的合成物或金属框架环进行稳定。
飞船100也可包括一个或多个推进装置或系统104，包括但是不必限于推进器、发动机、马达、动电驱动器和/或喷射器，它们用于产生推力以沿着具体方向移动飞船100。关于推进系统104B，推进系统104A可以以相同或不同方式操作。飞船100也可包括舱室106以容纳操作者、乘客、货物、设备、控制室等。如图1所示，舱室106可以定位在船体102的外部并且围绕船体102的下侧定中(也见图2)。在其它实施例中，舱室106可以在不同位置中被设置在船体102的内部或外部。飞船100可以包括多个着陆支撑件和轮子108以用于起飞和降落。
图2示意图1飞船100的下侧视图，它采用根据本发明一个实施例的DCB系统。在本发明一个实施例中，飞船100具有透镜状船体102。如图所示，舱室106可以围绕飞船100的下侧定中并且两个推进系统104A和104B可以在飞船100的相对侧处设置在下侧处。
图3A示意根据本发明一个实施例的在平衡或上升(即正浮力)中的具有DCB系统300的飞船100的截面视图，其中船体102处于较低压力下。DCB系统300容纳在飞船100的船体102中并且采用一个或多个机构以控制飞船300的上升或降落。DCB系统300被用于为飞船100提供它的静态重量的主动控制并且提供飞船100的竖直控制。另外，DCB系统300用于弥补可能影响飞船100的静态重量的各种外部因素，例如周边大气状态、燃料消耗、乘客和货物卸载，或者氦气过加热水平的改变。DCB系统300有利地克服了传统的静态重量控制机构例如压舱物、气体释放、动态升力和导向发动机推力的很多缺点和低效性。DCB系统300不要求承载多余重量或者释放升力气体以弥补飞船100在飞行期间的预期重量变化，或者使用动态升力或导向发动机推力。
DCB系统300包括定位在船体102中的柔性隔室302。在一个实施例中，船体102是固定容积的、填充气体的船体，它与柔性隔室302物理接触。柔性隔室302可以沿着并且接触船体102的底部(例如，圆顶形状)的表面308定位。柔性隔室302被设计成容纳空气312并且控制飞船100的竖直上升和降落。柔性隔室302可以包括进口阀和/或泵304以控制或调节空气312流入柔性隔室302和出口阀和/或泵306以控制或调节空气312流出柔性隔室302。在一个实施例中，单独的双向泵和/或阀可被用于控制或调节空气312流动进出柔性隔室302。DCB系统300可以包括在舱室106中定位以用于控制进口阀和/或泵304以及出口阀和/或泵306的功能和操作的处理器(或控制器)。飞船100的飞行员可以控制或操作处理器。
柔性隔室302可以由允许柔性隔室302根据在船体102内部的升力气体310(例如，氦或氢)和柔性隔室302内部的空气312之间的压力差膨胀和收缩的任何材料制成或包括该材料。船体102容纳轻于空气的升力气体310以为飞船100提供浮力或“升力”。在一个实施例中，柔性隔室302可以由气体不可渗透的材料制成以防止升力气体310与柔性隔室302中的空气312混合。在一个实施例中，柔性隔室302是当外部空气被引入其中时膨胀并且当空气被移除时收缩的封闭空间。柔性隔室302可以在船体102内部在中心或者周边安装。
在飞船100上升期间，如图3A所示，船体102几乎被完全填充升力气体310并且柔性隔室302被朝向船体102的底部表面308缩小。在该构造中，飞船100是静态轻的并且不要求使用动态升力或者导向发动机推力以保持气载。在该构造中，船体102中的升力气体310处于最小或者降低的压力下并且柔性隔室302中的空气质量具有最小或较低量。
为了使得飞船100上升，柔性隔室302中的空气312被泵送(使用泵304)或者释放(使用一个或多个单向阀306)到大气中，将质量(即，空气)从飞船100减去并且当其被解压时降低升力气体310的密度。升力气体310处于压力下并且因此推压柔性隔室302，迫使空气312离开出口阀306，如图3A所示。可以利用泵304促使从柔性隔室302释放空气312。飞船100因此以基本等于释放到大气中并且通过解压升力气体310移置的空气312的质量的数量而变得静态较轻，导致浮力或“升力”提高。在这种操作模式中，由于将空气从柔性隔室302移除，船体102中的升力气体310被解压并且施加在船体102上的总体内部压力降低。
柔性隔室302降低容积并且将空气312释放到外部大气中的速率可以通过操作进口阀和/或泵304和/或出口阀和/或泵306而被准确地调节，而这又控制飞船100的上升速率和它上升到的海拔高度并且实现平衡。船体102中的升力气体310的体积和柔性隔室302中的空气312的体积可以被足够快速和准确地改变以为飞行员提供用于包括起飞和降落、飞行中海拔高度改变，和加载与卸载乘客和货物的所有飞行操作的足够的控制。
图3B示意根据本发明一个实施例的在降落中(即，负浮力)的具有DCB系统300的飞船100的截面视图，其中船体102处于较高压力下。为了使得飞船100下降，空气从外部大气被泵送(使用泵304)到柔性隔室302中，由此向飞船100增加质量并且当其被压缩时提高升力气体310的密度。当外部空气被泵送到柔性隔室302时，柔性隔室302膨胀并且移置基本等量的升力气体310。因此，船体102中的升力气体310被压缩并且施加在船体102上的总体内部压力增加。在该构造中，由于船体102中增加的空气312质量，飞船100变得静态更重。
飞船100下降的量或者距离可以通过泵送或者将不同量的空气312引入柔性隔室302中而被控制。柔性隔室302中的空气体积越大，飞船100的静态重量越高。飞船100下降直至它在更低海拔高度处的更稠密空气中再次达到平衡。一旦达到平衡，飞船100停止下降。如果空气312继续被泵送到柔性隔室302中，飞船100变得足够重以下降到地面。DCB系统300也具有当飞船100在飞行或着陆或停泊时弥补操作和/或大气状态的能力。例如，飞行员或处理器可以操作进口阀和/或泵304和/或出口阀和/或泵306以弥补温度、海拔高度、大气压力、燃烧的燃料、货物卸载和/或过加热中的变化。柔性隔室302的尺寸和操作员利用空气312移置升力气体310的能力受到可以由船体102承受的最大压力差的限制。
图3C示意根据本发明一个实施例的具有围绕船体102的底部表面308定位的环形、柔性隔室302的飞船100的截面视图。在一个实施例中，柔性隔室302定位在船体102的底部表面308上。在柔性隔室302中，一个或多个障体314可以被用于为柔性隔室302提供支撑和稳定性。在一个实施例中，柔性隔室302包括基本垂直于并且围绕船体102底部表面308等间隔设置的四个(4)障体314。在四个(4)障体314之间是可以容纳空气312的四个(4)部分。障体314可以由与柔性隔室302相同的材料或不同材料例如塑料制成。障体314可以包括一个或多个孔或通道以允许并且调节空气312从柔性隔室302的一个部分流到柔性隔室302的另一部分。在一个实施例中，障体314被连接或紧固到船体102的底部表面308以限制柔性隔室302在船体102中的运动和/或防止柔性隔室302在柔性隔室302充气或放气期间从它在船体102中的位置移开。柔性隔室302的大的运动可以不利地影响飞船100的重心。除了障体314或者替代障体314可以使用缆绳以在船体102中固定和支撑柔性隔室302。
图3D示意根据本发明一个实施例的图3C的飞船100的透视图，其中一部分船体102被移除以示出在船体102中定位的柔性隔室302。如图所示，柔性隔室302可以成形为环形或环面形。通常，柔性隔室302定位在船体102的底半部中并且位于由环316限定的水平平面318(见图3C)的下方。环316尤其被用于为船体102和/或柔性隔室302提供支撑并且用作联结点和安装表面。
图4A示意根据本发明一个实施例的包括具有固定容积的压力箱401(例如合成压力容器)和一个或多个柔性隔室402的主动DCB系统400的飞船100的截面视图，其中升力气体410从压力箱401被释放或者从其被泵送出以使得飞船100上升。压力箱401可以是固定容积的装置，它容纳升力气体410并且在中央处安装在船体102内部。压力箱401可以具有能够容纳加压气体的柱形、小球、球体、棱柱的形状或任何其它形状。一个或多个柔性隔室402(例如，402A和402B)可以定位在船体102的内部底表面408上。压力箱401可以包括一个或多个进口阀和/或泵404以及一个或多个出口阀和/或泵406以允许升力气体410被泵送进出压力箱401。升力气体410通常经由泵404被压缩到压力箱401中并且经由出口阀406被释放到船体102中。当升力气体410被释放到船体102中时，空气412经由一个或多个出口阀和/或泵416被迫使离开，或者从该一个或多个柔性隔室402被释放。飞船100以基本等于被迫使离开或者从该一个或多个柔性隔室402被释放的空气412的质量的数量变得静态更轻并且飞船100上升。
图4B示意根据本发明一个实施例的包括具有压力箱401和一个或多个柔性隔室402的主动DCB系统400的飞船100的截面视图，其中升力气体410被泵送到压力箱401中并且外部空气412被引入一个或多个柔性隔室402中以使得飞船100下降。当升力气体410经由一个或多个进口阀和/或泵404被从船体102移除并且压缩到箱401中时，该一个或多个柔性隔室402膨胀并且以基本等于已经被从船体102泵送到压力箱401中的升力气体410体积的数量被填充外部空气412。因此，飞船100以基本等于被引入柔性隔室402中的外部空气412的质量的数量而变得静态更重。一个或多个进口阀和/或泵404可以被用于将升力气体410压缩或者泵送到压力箱401中。
DCB系统400被设计成在船体102上施加最小的压力量。不是如在DCB系统300中那样在船体102中压缩升力气体410，升力气体410仅在压力箱401中被压缩。空气412响应于升力气体410当其被泵送进或出压力箱401时的压力改变而被泵送进或出一个或多个柔性隔室402。DCB系统400的操作效果被可由箱401承受的最大压力差限制。
图5A示意根据本发明一个实施例的具有DCB系统500的飞船100的截面视图，该系统具有箱501(例如，合成压力容器)和一个或多个柔性隔室502(例如，502A和502B)，其中空气512被泵出箱501并进入大气以使得飞船100上升。箱501可以是容纳空气512并且在中央处安装在船体102内部的固定容积的装置。一个或多个柔性隔室502基本被定位在船体102的内部底表面508上。升力气体510被容纳在或者散布在整个船体102中并且围绕箱501和一个或多个柔性隔室502。
箱501可以包括一个或多个进口阀和/或泵504以及一个或多个出口阀和/或泵506以允许空气512被泵送进出箱501以增加或降低飞船100的重量。空气512可以经由出口阀和/或泵506被释放到大气中以使得飞船100上升。柔性隔室502也可容纳空气512并且可以被定位在船体102中。当空气512经由一个或多个阀和/或泵516被迫使离开或者从一个或多个柔性隔室502被释放时，柔性隔室502的尺寸缩小，因此降低船体102中的压力。飞船100以基本等于被迫使离开或者从箱501被释放的空气512的质量的数量而变得静态更轻并且飞船100上升。柔性隔室502补偿当飞船100达到一定海拔高度时和/或响应于温度改变的升力气体510的体积的改变。柔性隔室502A和502B可以构造成响应于这些改变，例如，空气512可以经由进口阀和/或泵514A和514B被迫使进入柔性隔室502A和502B中或者经由出口阀和/或泵516A和516B被迫使离开柔性隔室502A和502B。
图5B示意根据本发明一个实施例的具有DCB系统500的飞船100的截面视图，该系统具有箱501和一个或多个柔性隔室502，其中外部空气512从外部大气被泵送到箱501中以使得飞船100下降。当空气512被引入箱501中时，飞船100以基本等于被引入的空气512的质量的数量而变得静态更重。一个或多个进口阀和/或泵504可以被用于压缩或泵送外部空气512进入箱501中。柔性隔室502A和502B补偿升力气体510当飞船100失去海拔高度时和/或响应于温度改变的体积变化。柔性隔室502A和502B可以被构造成成响应于这些改变，例如，空气512可以经由进口阀和/或泵514A和514B被迫使进入柔性隔室502A和502B中或者经由出口阀和/或泵516A和516B被迫使离开柔性隔室502A和502B。
DCB系统500被设计成在船体102上施加最小的压力量。不是如在DCB系统300中那样在船体102中压缩升力气体410，空气512在箱501中被压缩。空气512响应于当飞船100上升或下降时升力气体510的压力改变，或者响应于环境或操作变化而被泵送进或出一个或多个柔性隔室502。操作效果DCB系统500受到可以由箱501承受的最大压力差的限制。
在一个或多个实施例中，箱(例如501)被设计成当空气或升力气体已经被泵送到箱中以使得飞船足够重以着陆并且交换有效载荷时，当飞船100在海平面处处于地面上时，处于最大或高压下(符合军用要求和箱的压力强度)。在飞船100在高于海平面的任何高度处操作时，箱压力较低。
图6A示意根据本发明一个实施例的具有DCB系统600的飞船100的截面视图，该系统具有箱601(例如，合成压力容器)，其中空气604被泵送出箱601并进入大气中以允许升力气体605流入箱601中，使得飞船100上升。DCB系统600包括将箱601的第一部分612从箱601的第二部分614分离的分隔器610。分隔器610可以在箱601的赤道处被固定并且可以具有圆形或半球形的形状，其具有与箱601的直径相同的直径或者更大的直径。在一个实施例中，分隔器610是非刚性的、柔性的、气体不可渗透的隔膜或薄膜，它可由适用于这一目的的任何气体不可渗透的纺织物制成，例如织物、塑料和/或聚合物。箱601的第一部分612容纳空气604并且箱601的第二部分614容纳升力气体605。分隔器610被固定到箱601的内部周边从而容纳在第一部分612中的空气604不与容纳在第二部分614中的升力气体605相互作用或者混合。容纳在箱601的第二部分614中的升力气体605与填充船体102的升力气体相同。
箱601可以是由金属、合成材料和/或织物制成并且在中央处安装在船体102内部中的气体不可渗透的箱。箱601的形状和尺寸适于使得飞船100当基本充满升力气体605时是静态轻的，并且当基本充满空气604时是静态重的。一个或多个阀和/或泵606和608可以被用于控制空气604流动进出箱601的第一部分612。当压力差改变时，一个或多个阀和/或泵616可以被用于控制升力气体605流动进出箱601的第二部分614和容纳升力气体605的主船体区域。一个或多个阀和/或泵616允许升力气体605从船体102被转移到箱601和从箱601转移到船体102，从而船体102经受足以保持船体102完整性的最小压力量，并且大部分或者所有压力由箱601经受。可替代地，根据飞船100的设计和用于制造船体102和箱601的材料的相对强度，DCB系统600可以以一定方式被构造和/或操作从而压力根据需要在船体102和箱601之间分配。
箱601被初步填充有升力气体605以提供最大升力量。在此情形中，一些空气604被释放出和/或被迫使离开箱601的第一部分612并且进入大气中，降低飞船100的静态重量。即，箱601的第二部分614填充有升力气体605而空气604被从箱601的第一部分612移除，因此在箱601中形成较高的升力气体605与空气604的比率。一个或多个阀和/或泵616可以被用于保持升力气体605进入箱601的流率，从而在船体102和外部大气之间的压力差被保持在理想水平下。当箱601填充有升力气体605时，分隔器610被朝向或者靠近箱601的底半部推动。当第二部分614处于正压力下时，升力气体605推动空气604离开箱601，并且另外地，一个或多个阀和/或泵606和608可以被用于将空气604从箱601的第一部分612移除。
图6B示意根据本发明一个实施例的具有DCB系统600的飞船100的截面视图，该系统具有箱601，其中空气604从大气被泵送到箱601中并且升力气体605被泵送出箱601并进入船体102中以使得飞船100下降。为了使得飞船100下降，外部空气604被一个或多个阀和/或泵606泵送到箱601的第一部分612中，经由一个或多个阀和/或泵616迫使箱601的第二部分614中的升力气体605返回到船体102中，因此在箱601中形成较高的空气604与升力气体605的比率。此外，通过一个或多个阀和/或泵616，升力气体605也可被主动地从箱601的第二部分614泵送入船体102中。可替代地，升力气体605可以在箱601的第二部分614中被压缩而不是通过一个或多个阀和/或泵616被释放到船体102中，在该情形中，压力差将由箱601承受而不是船体102。利用分隔器610防止空气604和升力气体605混合。当外部空气604移动到箱601的第一部分612中时，飞船100变得静态更重。
飞船100以基本等于泵送到船上的空气质量的数量而变得静态更重，并且如果箱601被设计得足够大并且足够的空气被泵送到其中，则飞船100变得静态足够重以下降到地面并且停留在地面上，即使在显著的有效载荷量被卸载之后。通过准确地控制箱601的第二部分614中的升力气体605和箱601的第一部分612中的空气604的不同的数量，可以精确地控制飞船100的重量，由此总是为飞行员提供充分的对飞船100的竖直控制。
不同的DCB系统可以弥补操作状态的改变(例如，压力和温度改变、燃料消耗、加载和卸载有效载荷等)。例如，飞行员可以操作DCB系统以弥补由于过热引起的飞船100的静态重量的改变，无论是在地面上或者在飞行中。
本发明另一实施例提供一个或多个控制器以控制上述的不同DCB系统的阀和/或泵的操作。即，控制器可以操作进口和/或出口阀和/或泵以达到所需海拔高度和/或静态重量。多个传感器可以为控制器提供必需的信息以确定一个或多个进口和/或出口阀和/或泵应该在何时被操作。例如，压力和/或温度传感器可以监控船体、柔性隔室(一个或多个)、箱(一个或多个)中的压力，和/或外部周边压力和温度从而确定适当压力差和/或绝对压力。这些压力和温度读数可以被控制器使用以操作进口和/或出口阀和/或泵从而使得飞船达到所需静态重量、内部压力和/或海拔高度。一些或者所有的进口和/或出口阀和/或泵可以配备有独立于所有其它飞行控制系统的自动控制器，它们被编程以当压力应该达到或高或低的预设水平时自动地操作。根据需要，一些或所有阀和/或泵可以设有完全独立的、手工操作的控制器从而它们可以在紧急状况中被飞行员直接地操作，而不需要电子接口。
用于包括一个或多个柔性隔室的那些系统的本发明另一实施例提供主动地控制飞船飞行特性的能力。通过改变在一个或多个柔性隔室中的空气质量，例如，浮力中心和/或重心可以被移位到飞船中的不同位置。通过改变浮力中心和/或重心，能够主动地控制飞船平衡、浮力、攻角和/或动态升力。
虽然已经描述了不同的飞船，在此公开的本发明能够在不同类型的应用中(例如，软式小型飞船、飞船、“混合”航行器、潜水艇、潜艇等)和其中需要进行浮力控制的介质中实施。注意船体、柔性隔室(一个或多个)、箱(一个或多个)的尺寸和大小可以根据应用、可获得的材料以及所需的竖直控制响应而改变。
虽然已经描述了并且在附图中示出某些示例性实施例，应该理解这种实施例仅是示意而非限制本发明，并且本发明并不限于所示和所描述的特定构造和布置，因为除了在上述段落中描述的那些，各种其它改变、结合、省略、修改和替代是可能的。本领域技术人员可以理解在不背离本发明范围和精神的前提下可以构造刚刚描述的优选实施例的各种改变和修改。因此，应该理解，在所附根据权利要求的范围中，本发明能够以不同于在这里具体描述的其它方式实施。

Claims (30)

1.一种用于控制飞船空气静升力的系统，包括：
构造成容纳第一气体的船体；
位于船体中并且构造成容纳第二气体的隔室；和
联接到该隔室以控制第二气体流入隔室中以增加隔室静态重量和流出隔室以降低隔室静态重量的装置。
2.根据权利要求1的系统，其中船体由气体不可渗透的材料制成并且具有固定的容积。
3.根据权利要求1的系统，其中第一气体轻于第二气体。
4.根据权利要求1的系统，其中第一气体是氦气并且第二气体是空气。
5.根据权利要求1的系统，其中隔室是固定容积的箱。
6.根据权利要求1的系统，其中隔室是柔性隔室。
7.根据权利要求1的系统，其中该装置是阀。
8.根据权利要求1的系统，其中该装置是泵。
9.根据权利要求1的系统，还包括构造成容纳第一气体的至少一部分的箱。
10.根据权利要求9的系统，还包括联接到所述箱以控制第一气体流入所述箱中以降低所述箱的静态重量和流出所述箱以增加所述箱的静态重量的装置。
11.根据权利要求10的系统，其中该装置是阀。
12.根据权利要求10的系统，其中该装置是泵。
13.一种用于控制飞船的空气静升力的系统，包括：
构造成容纳升力气体的船体；
容纳在船体中并且构造成容纳空气的柔性隔室；和
联接到该柔性隔室以用于允许空气进入柔性隔室中以膨胀柔性隔室并压缩升力气体和用于从柔性隔室移除空气以收缩柔性隔室并解压升力气体的装置。
14.根据权利要求13的系统，其中该柔性隔室定位在船体的底部表面上。
15.根据权利要求13的系统，其中该柔性隔室由气体不可渗透的材料制成并且具有环形形状。
16.根据权利要求13的系统，还包括在柔性隔室中定位以将柔性隔室分隔成一个或多个部分、用于为柔性隔室提供支撑和稳定性和用于调节在该一个或多个部分之间的空气流动的一个或多个障体。
17.根据权利要求13的系统，其中该装置从包括控制器、泵、阀及其组合的组中选择。
18.根据权利要求13的系统，还包括构造成容纳升力气体的至少一部分的箱。
19.根据权利要求18的系统，还包括联接到所述箱以控制升力气体从船体流到所述箱以压缩所述箱中的升力气体和从所述箱流到船体以解压所述箱中的升力气体的装置。
20.一种用于控制飞船的空气静升力的系统，包括：
构造成容纳升力气体的船体；
容纳在船体中并且构造成容纳空气的第一柔性隔室；
用于从第一柔性隔室释放空气以降低飞船静态重量的第一出口装置；和
用于将空气引入第一柔性隔室中以增加飞船静态重量的第一进口装置。
21.根据权利要求20的系统，其中第一装置是阀并且第二装置是泵。
22.根据权利要求20的系统，还包括容纳在船体中并且构造成容纳空气的第二柔性隔室。
23.根据权利要求22的系统，还包括：
用于从第二柔性隔室释放空气以降低飞船静态重量的第二出口装置；和
用于将空气引入第二柔性隔室中以增加飞船静态重量的第二进口装置。
24.根据权利要求20的系统，还包括在船体中定位的箱。
25.根据权利要求24的系统，还包括联接到所述箱以控制升力气体从船体流到所述箱以压缩所述箱中的升力气体和从所述箱流到船体以解压所述箱中的升力气体的装置。
26.根据权利要求24的系统，还包括联接到所述箱以控制空气流入所述箱中以增加飞船的静态重量和流出所述箱以降低飞船的静态重量的装置。
27.一种用于控制飞船的空气静升力的系统，包括：
构造成容纳升力气体的船体；
箱，它位于该船体中，具有构造成容纳空气的第一部分和构造成容纳升力气体的一部分的第二部分；
位于所述箱中以将第一部分从第二部分分离的分隔器；
联接到所述箱以控制空气流出所述箱的第一部分的第一装置；和
联接到所述箱以控制升力气体流入所述箱的第二部分的第二装置。
28.根据权利要求27的系统，其中该船体限定中央竖直轴线并且所述箱沿着船体的中央竖直轴线定位。
29.根据权利要求27的系统，其中该分隔器是柔性的气体不可渗透的隔膜。
30.根据权利要求27的系统，其中该分隔器被固定到所述箱的内周边从而在第一部分中容纳的空气不与在第二部分中容纳的升力气体混合。
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