CN101443231A - 用于电信或其他科学目的的无人飞艇 - Google Patents

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Abstract

无人飞艇，用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中，它包括载有平台(10)且充有气体的气球(11)，以及用于相对地球保持平台位置的装置。该载有平台(10)的气球(11)被布置在特别在平流层中具有空气动力外形的外部气球(12)中。在它们之间围绕内部气球(11)形成至少一个用介质充注的低压或高压隔离腔(20；20’；20”)。应用具有低热导率的气体作为用于所述隔离腔的介质。温差的负面效应得到尽可能平衡补偿了，因此内部气球可以用较轻的和较便宜的材料制造，并且它的使用寿命被有效地提高。

Description

用于电信或其他科学目的的无人飞艇
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的无人飞艇，其用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中。
应用充满气体的气球(高空气球)以将各式各样的电信和/或监视平台驻留在平流层中，例如已从US 5,104,059中公知。这类气球的特别问题产生于它们所遭受的白天和夜间的温差。在白天时气球表面承受直接的太阳照射，并且气球内部的气体被太阳辐射加热，因此气体压力升高。在夜间时与此相反，环境温度和气体温度是下降的，并因此气球中气体压力也下降。这对处于压力下气球的材料和结构提出附加的要求。此外还给相对地球的平台位置和高度的保持造成困难。
作为本发明基础的任务是，提供开头所述类型的无人飞艇，其中该载有平台且充有气体的气球可以最佳方式保持在所希望的高度和位置上，并且它为此具有长的使用寿命。
这一任务按照本发明通过权利要求1特征方案限定的飞艇来解决。
本发明飞艇的另外优选的结构方案构成从属权利要求的技术方案。
在本发明飞艇中，载有平台的气球被布置在于平流层中可鼓吹成空气动力外形的外部气球中，并且在这个外部气球和内部气球之间围绕内部气球形成至少一个用介质充注的低压或高压隔离腔，其中使用具有低热导率的气体作为用于所述隔离腔的介质，于是温差的对内部气球中气体压力的负面作用得到尽可能避免了，因此内部气球可由更轻和更便宜的材料制造，并且它的使用寿命被有效地提高了。
相对地球的平台位置可以由于在内部气球中相当大程度上恒定的气体压力以及借助布置在外部气球的外部的可电驱动的推进器而保持得尽可能地不变。
下面借助附图详细地阐述本发明。附图纯示意地示出：
图1是本发明飞艇的第一实施例的侧视图，
图2是图1飞艇的一部分的横截面图，
图3是本发明飞艇的第二实施例侧视图，和
图4是本发明飞艇的另一变型方案的示意纵剖图或部分视图。
图1示意表明了，无人飞艇1具有特别用于无线通信和/或其他科学目的设置的平台10、所谓的“高空平台”处于平流层中。其中这个飞艇1可被如此控制，以便它相对地球占据固定的位置，或者它也可以当它例如相对于在宇宙中存在的卫星相对静止地浮动定位时，布置成相对地球可运动的。这个飞艇不仅适合于作为电信的传输站而且也适合用于科学的测量目的，用于电视台或无线电台的传输站，用于照相目的，或作为气象站和更多用途。它可被装设GPS和其他控制设备，因此能实现飞艇的自动的台载控制，其中由地球上的控制中心即可遥控地实现电子连接。
按照图1飞艇1已处在希望的20-30km的高度上，该高度是在风特性方面有利的。设有适当装置(“Payload plane”(运载飞行器))的平台10被充有气体、优选是氦的气球11所携带。作为变型方案可以想到的是，这个平台10借助围绕气球11延伸的支承元件17、例如带子或类似物被承载。
按目的要求具有南瓜形的或其他形状的气球11(“Pumpkin Balloon”(南瓜形气球))置于具有空气动力外形的外部气球12内部，只有在该平台10借助气球11被毫无问题地携带着通过对流层到达希望的、优选是20.7km高度上以后，外部气球12才用一种介质充注并且鼓吹成所述空气动力外形。
外部气球12在后面端部上设有高度和侧向导向机构13、14。此外还设有用于相对自转地球保持该飞艇位置或平台位置的装置。其还包括在平台10之外部安置的可电驱动的推进器15，用于飞艇前进运动或者也用于飞艇稳定。为此该推进器15可用单独的转数控制，以便使飞艇总是相对地面保持在相同的方向上。推进器15也可以可回转地安置在平台10上，并且因此可应用于两个先前提及的目的。此外本发明飞艇1设有控制器和电子自动导航系统。
作为用于充注和鼓起该外部气球12的介质，按本发明应用具有低热导率的气体，优选是氙或氪。氪的热导率计为0.00949W/mK，氙的相应的热导率计为0.00569W/mK。在该内部气球11的周围构成用这种气体充满的低压或高压隔离腔20，通过其几乎可以说使气球11与例如在夜间和白天产生的大温差相屏蔽，并且它的温度或它的气体压力被尽可能地保持稳定。
那些表征为不良热导体的气体，优选是氙或氪，按照图2借助泵21从储罐24通过输送管道23被提供到该隔离腔20中，同时泵21也能将气体到单独的形成了衡腔的气球28中，气球28用于实现在低压或高压隔离腔20中恒定的压力和恒定的体积，并因此还用于实现保持该外部气球12的空气动力外形。其中该气体要被清除任何湿气，然后它才到达隔离腔20中。而且设置压力和温度测量装置26及27，其与未详细描述的控制单元连接。
内部气球11，如已提及的那样，优选是用氦充注(但也可以涉及其他气体如氢)。按照图2，氦储罐43通过管道49与气球11内部连接。泵47能实现将氦输送到气球11中或者输送到附加气球58中，附加气球58应用于作为整个飞艇的压力调节的平衡腔。还在管道49中设置可向控制单元提供信号的压力测量装置48。氦在加压下被提供到载有平台10的内部气球11中，为此设置未详细描述的压缩机。
如从图2中可看出的，所有的仪器设备被包含在平台10中。理所当然也还有另外未详细描述的仪器和装置被安置在这个平台10中，例如全部电子器件，蓄电池、控制设备和许多其他的。
现在按照本发明，该内部气球11中的压力比被如此调节，以便在它内部的温度尽可能地保持稳定，其中该温度优选相当于外界空气的夜间温度。以具有低热导率气体所充注的隔离腔20用于实现，外部空气在白天和夜间的温差尽可能小地作用在内部气球11上。但当借助压力测量装置48在白天测定气球11中压力升高时，则人们可以通过减压阀将一部分氦气泄放到附加气球58中。在夜间与其相反，当压力测量装置48表明低于额定值的压力时，则氦气被泵回到内部气球11中。
其基本材料是聚乙烯或类似物的外部气球12是按照图2在它一部分表面上设有太阳能收集膜40。在白天通过太阳照射产生的电能借助电池进行储存。
外部气球12还设有红外线收集膜41，借助其在夜间可利用地球的红外射线能。在太阳能收集膜40的内侧面上的红外线收集膜41优选作为暗色的、约12μm厚的铝膜而形成颜色层或类似物。外部气球12和内部气球11都优选地由一种透明的塑料制造，其中然后该红外线收集膜41被设置在外部气球12的面对地球的内侧面上。因此红外线辐射可以从下方通过两个气球贯穿地透过并且因此帮助使此外在夜间发生的冷却按温度要求地得以平衡。作为优选，该红外线收集膜41比太阳能收集膜40覆盖更大的外部气球12表面。
太阳能收集膜40和红外线收集膜41在外侧面和内侧面上通过塑料泡沫层，例如聚苯乙烯或通过其他绝热材料覆盖，因此不会发生气球表面的过度加热。
但也可能的是，外部气球12和内部气球11都由一种铝化的塑料制成，由此它涉及一种多层材料，其中在塑料基底、优选是在聚乙烯基底上覆设铝层，其再通过塑料层被覆盖。铝层一方面实现射线的反射并且另一方面改善关于气体穿透性的特性，也就是说只可能极少气体通过气球材料泄漏。由于射线的反射，射线的热力作用—其通过隔离腔应被“屏蔽”—就能被减小。在外部气球的表面上或者在它的区域上可以再覆盖太阳能收集膜。
还完全可能的是，在内部气球11的周围构成两个低压或高压隔离腔，其措施是外部气球具有外套和内套，在其之间将构成优选是用氙或氪充注的第一隔离腔。然后另外的在内套和内部气球11之间构成的低压或高压隔离腔可以用外部空气充注，并且该空气借助出口而可从该隔离腔中被排出，以便使这个腔中的压力保持稳定。此后相应地所述压力和此外海拔高度都可以被测量并被传送到控制单元。
本发明飞艇1’的两个另外可能的实施方式被描述在图3中。
在这个变型方案中，一方面描述了布置在外部气球12的内圆周面和气球11的外周面之间的并且螺旋形围绕气球11延伸的腔室20’，其通过横板50被界定。
另一方面可以构成布置在外部气球12的内圆周面上的、也为螺旋形的相距地围绕气球11延伸的腔室20”，其通过在横截面中近似矩形的套壳50’构成。
在两种情况中，这些腔室20’、20”被充注以具有低热导率的气体，例如氙或氪，并且因此至少部分地在气球11周围构成低压或高压隔离腔。
腔室20’、20”图中表示成刚好在气球的整个周边的一部分上。显然，其中一个腔室或者另外的腔室设置成在整个的周边上或近似整个周边上。
与图1和2的变型方案相类似，该外部气球12也可以设有太阳能收集膜和红外线收集膜，借助其可在能量方面白天利用太阳射线并在夜间时利用地球的红外射线。因此所述横板50或套壳50’按目的也如两个气球11、12那样优选是由透明的塑料材料构成。
但也在图3中表示的实施方式中，外部气球和内部气球11都可以由铝化的塑料制成。
另一个可能方案在于，代替螺旋形腔室20’、20”，在气球11的周围设置多个并排的、袋形或枕形的并且可用具有低热导率的气体、优选是氙或氪充注的腔室，确切地说在气球11的整个周边上设置或者至少在它的大部分上。这些腔室也可以至少部分地填充在内部气球11和外部气球12之间的空间，或者可与内部气球11相距地布置在外部气球12的内圆周面上。适合作为用于这种袋形或枕形腔室的材料是已提及的铝化的塑料，优选聚乙烯。
因为本发明飞艇1或1’的气球11中气体压力可以被相当大程度上保持稳定，或者可以被有效地调节，并且不会遭受这种极端白天/夜间温差的负面作用，故本飞艇可以保持明显较长的使用寿命，并且整个平台10要比传统气球情况下更好地保持它相对地球的位置(或相对地球上确定的区域)。
理所当然飞艇1设有完整的控制器，因此它自动地处于相对地面所希望的位置上。此外它与地球上控制中心相连接，从而可以实现源自地面的数据交换和控制。
图4示出了无人飞艇，其本身有如图1相同的结构设置。因此对于未变化的构件采用相同的附图标记。设有外部气球12和在该外部气球内的载有平台10的用气体充注的气球11。在内部气球11中布置了另外至少一个气球31并具有进入阀和排放阀用于排出或放入气体，优选是空气。借助这个附加的气球31，以在包围这个附加的气球31的气球11中实现恒定的压力。为了这个目的，设置相应的在气球31中的压力调节，这个是未被详细描述的，通过其在内部气球11中实现压力测量。借助可控的排放阀或进入阀，可以让空气从该附加的气球31中排出或经由泵被鼓入，从而依此在内部气球11中的压力可被保持稳定或可按希望地被调节。
内部气球11和外部气球12根据本发明的另外的特征在它们的底面通过连接机构34被相互固定的。因此产生飞艇的最佳稳定性。而且在内部气球11中，该附加的气球31同样在它的底面被固定在气球11上。作为优选，在外部气球的底面上设置阳极氧化处理的铝层作为外套，借助其可在夜间吸收红外射线，以便在隔离腔中产生热量。
在本发明框架内，平台10通过连接构件30与外部气球12的底面连接。平台10依此通过示意表明的铰链33与外部气球12铰链地固定，并且通过未详细描述的耦接机构可从这个外部气球拆下。因此可以，如已提及的那样，该平台10在脱耦后返回到地球上，同时气球升空并破碎。有利的方式是，作为耦接机构应用电磁式的，通过其能实现松开而无繁琐的机械装置。
此外还表明了，隔离腔20为气体流通在外部气球12的底面上设有一个或者多个入口36，并在顶面设有一个或者多个出口36’。这样能实现飞艇白天时最佳的冷却。

Claims (20)

1.无人飞艇，用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中，其包括具有空气动力外形的外部气球(12)、布置在上述外部气球(12)内的、载有平台(10)且充有气体的气球(11)以及用于相对地球保持平台位置的装置，其特征在于，
在外部气球(12)和内部气球(11)之间形成至少一个用介质充注的低压或高压隔离腔(20；20’；20”)，其中使用具有低热导率的气体作为用于所述隔离腔的介质。
2.按权利要求1的飞艇，其特征在于，
用于所述隔离腔(20；20’；20”)的气体是空气、氙和/或氪。
3.按权利要求1或2的飞艇，其特征在于，
隔离腔(20’)以螺旋形围绕内部气球(11)延伸，并且通过在内部气球(11)和外部气球(12)之间延伸的横板(50)被界定。
4.按权利要求1或2的飞艇，其特征在于，
隔离腔(20’)被布置在外部气球(12)的内圆周面上，呈螺旋形并与内部气球(11)相距地延伸，并通过在横截面中近似矩形的套壳(50’)构成。
5.按权利要求1或2的飞艇，其特征在于，
围绕内部气球(11)布置了多个并排的袋形或枕形的隔离腔，其至少部分地充满内部气球(11)和外部气球(12)之间的空间，或者与内部气球(11)相距地布置在外部气球(12)的内圆周面上。
6.按权利要求1或2的飞艇，其特征在于，
在隔离腔(20；20”)和内部气球(11)之间设置另外的可用外部空气充注的隔离腔(20)。
7.按权利要求1-6中任一项所述的飞艇，其特征在于，
外部气球(12)在其表面的一部分上，特别是在后部部分上和/或在高度或侧向导向机构(13，14)上设有太阳能收集膜(40)，用于在白天利用太阳射线能量，其中在太阳能收集膜(40)上作为隔热屏设置附加的塑料层，特别是泡沫层或其他绝热材料。
8.按权利要求1-7中任一项所述的飞艇，其特征在于，
外部气球(12)设有红外线收集膜(41)，用于夜间利用地球的红外射线能量。
9.按权利要求8的飞艇，其特征在于，
红外线收集膜(41)比太阳能收集膜(40)覆盖外部气球(12；12’)的表面更大。
10.按权利要求8或9的飞艇，其特征在于，
内部气球(11)和外部气球(12)和必要时横板(50)以及套壳(50’，)都是由透明材料制成，其中红外线收集膜(41)被设置在外部气球(12；12’)的面对地球的内侧面上。
11.按权利要求1-9中任一项所述的飞艇，其特征在于，
内部气球(11)和外部气球(12)都由多层塑料构成，其中在塑料基底上设有铝层，优选是在聚乙烯基底上。
12.按权利要求1-11中任一项所述的飞艇，其特征在于，
设置用于消除隔离腔(20；20’；20”)的湿气的装置。
13.按权利要求1-10中任一项所述的飞艇，其特征在于，
外部气球(12)为了保持它空气动力外形，与附加的形成了平衡腔的用低热导率气体可充注的气球(28)处于作用连接。
14.按权利要求1-13中任一项所述的飞艇，其特征在于，
内部气球(11)与附加的形成了平衡腔的并用相同气体可充注的气球(58)处于作用连接，通过该气球(58)可以调节内部气球(11)中的压力以将温度保持在尽可能恒定的额定值上，其中该额定值优选相当于夜间的外界温度。
15.按权利要求1-11中任一项所述的飞艇，其特征在于，
所述至少一个隔离腔(20；20’；20”)为了气体流通在外部气球(12)的底面上设有一个或者多个入口(36)，并在顶面上设有一个或者多个出口(36’)。
16.无人飞艇，用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中，其包括具有空气动力外形的外部气球(12)、布置在上述外部气球(12)内的、载有平台(10)且充有气体的气球(11)以及用于相对地球保持平台位置的装置，其特征在于，
在内部气球(11)中设置至少一个附加的气球(31)，该气球(31)具有进入阀和排放阀用于排出或放入气体，优选是空气，借助该附加的气球(31)在包围着这个附加的气球(31)的气球(11)中实现恒定的压力。
17.无人飞艇，用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中，其包括具有空气动力外形的外部气球(12)、布置在上述外部气球(12)内的、载有平台(10)且充有气体的气球(11)以及用于相对地球保持平台位置的装置，其特征在于，
内部气球(11)和外部气球(12)在它们的底面上通过连接机构(34)相互固定。
18.按权利要求17的无人飞艇，其特征在于，
在内部气球(11)中布置有附加的气球(31)，并且该附加的气球(31)同样在其底面处固定在所述内部气球(11)上。
19.无人飞艇，用于电信或其他科学目的以驻留在预先确定的高度上，特别是驻留在平流层中，其包括具有空气动力外形的外部气球(12)、布置在上述外部气球(12)内的、载有平台(10)且充有气体的气球(11)以及用于相对地球保持平台位置的装置，其特征在于，
所述平台(10)通过连接构件(30)与外部气球(12)的底面连接。
20.按权利要求19的飞艇，其特征在于，
所述平台(10)与外部气球(12)铰接地固定，并通过耦接机构可从所述外部气球拆下。
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