CN101445155A - 水蒸气飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的飞艇，传统飞艇是在气囊中充入氦气或其他轻于空气的气体(主要是氦气)，使飞艇产生升力，实现起飞，同过向副气囊内的充入或抽出空气来控制飞艇的升降，这些特点使飞艇的生产完全依赖于氦气的供应，氦气是稀有的战略资源，产量少、价格相当昂贵，无法满足飞艇大量生产和使用的需要，氦气需要大量的特种设备配合，包括运输、冷却、储藏、提纯等设备，需要配备相关专业技术人员，使用成本昂贵，限制了飞艇的使用范围；此外，采用氦气需要飞艇高度密封，对飞艇的制造材料和工艺都有很高要求。这些原因都导致传统氦气飞艇制造和使用成本高，维护困难，无法大量生产和使用，限制了飞艇优势的发挥，急需新型技术取代。本发明所提供的新型飞艇，保持了传统飞艇的优点，同时克服了飞艇对氦气的依赖。使用水蒸气作为飞艇的填充气体，把水转化为高温水蒸气，充入气囊，同时在飞行中维持水蒸气温度，由于高温水蒸气的密度远小于空气密度，因此能实现和氦气飞艇一样的起飞和飞行。水蒸气极其廉价，获取极其容易，因此飞艇制造和使用费用低，适应性强。本发明适用于制造软式飞艇、半硬式飞艇、硬式飞艇，也适用于制造重于空气的混合飞行器。本发明大大降低了飞艇的制造成本、使用和维护成本，有益于飞艇的大量制造和使用，有益于飞艇优势的发挥，使之成为一种广泛使用的飞行器。

Description

水蒸气飞艇

技术领域

本发明涉及一种新型的飞艇，是水蒸气飞艇，属于航空工业和技术领域。

背景技术

飞艇是一种古老而成熟的飞行器，与飞机、直升机相比，飞艇具有很多优点，如：1.起飞方便、适应性强，无需专门修建机场和道路，可以实现点对点运输；2.飞行经济，所需动力小，运输相同重量的货物，只需消耗飞机1/5的能源或直升机1/15的能源，是绿色飞行器；3.安全性好，飞艇不是依靠动力升空，而是依靠巨大的气囊填充轻气体，产生浮力升空的，因此即使失去动力，也不会发生事故。传统飞艇已经诞生了一百多年，没有任何实质性的技术革新和进步，实际上，目前飞艇的技术在20世纪20年代就已经成熟。

目前的飞艇主要采用氦气作为填充气体，无论是硬式飞艇(有固定的外壳结构维持外形)、半硬式飞艇(有部分骨架)，还是软式飞艇(外层为织物材料制造，无固定的外壳结构，靠内部气压维持外形)，目前国内外市场上的主要飞艇都是用氦气作为填充气体，如：美国的固特异飞艇、英国的天猫飞艇、德国的齐柏林飞艇(硬式)、我国北京华教飞艇公司的华教系列飞艇、上海达天飞艇公司的达天系列飞艇、特种飞行器研究所研制的浮空系列飞艇，都是采用氦气填充主气囊获得升力，通过往副气囊中注入或抽取空气调节主气囊气压，以控制飞艇的上升或下降(见《飞艇技术概论》，甘晓华、郭颖编著，国防工业出版社)。由于氦气价格昂贵、产量稀少，且运输、储藏困难，使用成本高，还需要大量的地面设备用于保障飞艇氦气的供应和提纯，因此造成目前飞艇的购买成本和使用成本都很高，而且受到氦气供应和提纯的限制而适应性差、可维护性差，使飞艇这种优秀的飞行器难以大量生产和推广，很多需要飞艇的领域只能望而却步，飞艇的巨大优势得不到发挥，无法像飞机一样成为一种为人类广泛使用的飞行器。

发明内容

为解决现有飞艇对氦气依赖的问题，本发明使用高温水蒸气替代氦气实现飞艇的浮空和飞行，在保持传统飞艇优点(运输方便、能耗少、安全等)的前提下，解除了飞艇对氦气的依赖。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，在飞艇使用高温水蒸气作为气囊填充气体，水蒸气温度在100摄氏度以上，或者150摄氏度以上，甚至更高。水蒸气，即水(H₂O)的气体状态，分子量为18，远小于空气的平均分子量29，因此在相同温度和气压下，水蒸气的密度比空气密度小，可以为飞艇提供浮力，而当水蒸气温度升高后，密度会进一步降低，使得水蒸气所能提供的浮力更大。查表(见附表)得知，在150摄氏度、一个标准大气压下，水蒸气的密度为0.5164kg/m³，而在常温常压下，外界空气密度为1.29kg/m³，因此，如果飞艇使用150摄氏度的水蒸气填充气囊，那么每立方米气囊容积将产生约0.77千克浮力，这比氦气所产生的浮力(1.29-0.17＝1.12千克)要小，但比热气球、热气飞艇使用热空气密度低得多，因此完全可以满足普通飞艇的使用。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，在飞艇内部安装有恒温装置，用于对气囊内的水蒸气进行持续补充热量，维持水蒸气的高温。恒温器可以采用电供热或燃料供热，可以把发动机排出的高温废气通过热交换器，为恒温器供热。可以在飞艇内一个部位或多个部位对气囊内气体进行热量补充，由封闭管道和风扇输送，不断把较冷的水蒸气送往恒温器补充热量，使得水蒸气温度始终能保持必要温度，同时使得气囊内水蒸气温度均匀；随着气囊内水蒸气温度升高，密度也不断降低，最终产生的浮力足够满足飞艇起飞。气囊内水蒸气温度越高，则飞艇所产生的升力也就越大，但同时对飞艇气囊制造材料和制造技术的要求也越高，根据飞艇设计的需要、功能的需要、以及所采用的制造材料和制造技术，可以使用100-150摄氏度的水蒸气，甚至温度更高的水蒸气，以满足不同升力的需要。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，气囊内壁贴有隔热保温层，防止高温水蒸气对气囊产生破坏和损伤。许多材料都可以实现隔热，从而保护气囊材料不受高温损坏。可以满足气囊承受100-150摄氏度水蒸气，甚至更高，而气囊不会因接触高温水蒸气受到损坏。同时，隔热保温层还对气囊内高温水蒸气具有保温作用，当飞艇处于飞行状态时，隔热层可以维持气囊内水蒸气的温度，使热量不流失，只需少量补充热量或者无需补充热量。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇气囊内水蒸气的温度处于自动控制之下，根据飞艇所需的升力大小、浮空高度进行自动调节温度，通过对恒温器的供热控制实现对气囊内水蒸气的温度控制，从而实现对水蒸气密度的控制，从而实现对飞艇浮力大小的控制。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇气囊具有与外界大气相连的通气管道，当飞艇水蒸气受热膨胀后，如果气囊内部压力大于外界大气压，则需要打开管道阀门，排出多余的水蒸气以维持气囊内外压力平衡；当飞艇处于正常飞行状态时，管道是用阀门关闭的；当飞艇要降落时，打开管道阀门，从外界吸入空气进入飞艇气囊，以降低水蒸气温度，增加气囊内气体的密度，减少了飞艇浮力，增加了飞艇的重量，从而实现降落。排气和进气所需动力风扇或鼓风机提供。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇安装有水雾化装置或水蒸气发生器，飞艇启用时，由水雾化装置或水蒸气发生器先把液态水进行雾化或者转换为水蒸气充入气囊，便于恒温器为水蒸气补充热量升高温度，直到温度升高到足够高度。同时在飞行过程中，利用飞艇内储备的水，雾化或转换为水蒸气后注入到气囊中，以弥补可能产生的水蒸气损耗。飞艇在启用初，可以由地面的大型锅炉或蒸气发生器产生水蒸气，快速为飞艇注入水蒸气。

本发明所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇可以制造成软式飞艇、硬式飞艇、半硬式飞艇。在气囊的结构设计上有所区别，其他方面完全不变。软式飞艇根据设计的要求，可以在飞艇中采用副气囊以保证在水蒸气温度降低后，由副气囊维持必要压力，从而维持飞艇外形，但也可以不用副气囊，直接抽取空气充入主气囊或者补充水蒸气进入主气囊，以维持飞艇外形；半硬式飞艇则可以不采用副气囊，直接由基本骨架维持飞艇外形，在水蒸气温度降低后，部分囊体收缩，不影响整个飞艇的外形，可以继续维持飞行；硬式飞艇则完全由外壳维持飞艇外形，内部由软的囊体装载水蒸气，其外形变化不影响飞艇飞行。

本发明的有益效果是：热气飞艇不需要依赖昂贵的氦气，而是采用随手可得的极其廉价的水蒸气填充气囊，大大降低飞艇的制造成本和使用成本。同时由于水蒸气的来源极广，大大提高飞艇的适应性，便于飞艇的推广使用；飞艇基地不再需要配备大量的氦气运输、储藏、提纯等设备，也不需要相关的工作人员，减少了资金、设备、人力、场地的投入；水蒸气飞艇的可维护性更强，没有任何技术难度高的专业设备；同时，由于本发明水蒸气飞艇的原理、结构、构造更加简单，因此维护比传统氦气飞艇方便和简单得多，对维护人员要求更低，需要的培训更少，便于飞艇的大量推广使用。

附图说明

图1传统飞艇结构图

1.主气囊(填充氦气)；2.吊舱(载人或货物)；3.艇首(有加强结构)；4、5、6.副气囊(充入空气，用于控制飞艇升降)；7.尾翼；8.内、外悬挂系统；9.发动机

图2水蒸气飞艇结构图

1.主气囊(填充水蒸气)；2.吊舱(载人或货物)；3.艇首(有加强结构)；4、5、6.恒温器(用于为高温水蒸气和不断补充热量)；7.尾翼；8.内、外悬挂系统9.发动机；10、11、12.内置气体恒温器(用于为主气囊内水蒸气补充热量)；13.进气与排气系统(包含阀门和鼓风机等)

图3传统飞艇升降原理图

1.副气囊；2.释放副气囊中的空气，主气囊中氦气膨胀，飞艇上升；3.主气囊；4.往副气囊中压入空气，氦气压缩，飞艇下降

图4水蒸气飞艇升降原理图

1.内置恒温装置；2.恒温器保持工作，维持主气囊内水蒸气温度，水蒸气密度很低，浮力足够飞艇上升；3.主气囊；4.从外界充入冷却气体，降低主气囊内水蒸气温度，气囊内气体密度增加，浮力减少，飞艇下降；5.气囊内温度下降

图5主气囊内置恒温器示意图

1.发热体(可以是电发热体，也可以是能源的发热体，或由发动机废气供热的热交换装置)；2、3.风扇(强制气囊内气体对流)；4、5、6.水蒸气通过恒温器时的气体流向

图6传统飞艇的气囊材料的典型结构

1.外防护层；2.抗剪织物层(斜裁)；3.隔气层(防止内部气体泄漏及外部空气渗入)；4.基本受力织物层

图7水蒸气飞艇的气囊材料的典型结构

1.外防护层；2.抗剪织物层(斜裁)；3.隔气层(防止高温水蒸气泄漏及外部空气渗入)；4.基本受力织物层；5.隔热保温层(轻质耐热、隔热材料粘贴)

具体实施方式

参见图1，展示传统飞艇的典型结构。飞艇主题部分是巨大的主气囊，下面有吊舱；主气囊用于存放氦气，副气囊位于主气囊中，用于存放空气，与主气囊隔开。吊舱上安装发动机，用于推进。飞艇尾部装有尾翼，用于操控飞艇运动方向。飞艇气囊内部和外部都有悬挂结构，用于承受吊舱的重量。

参见图2，展示本发明的水蒸气飞艇的结构(注：这里使用的是普通的软式飞艇结构进行说明，)。主体部分和传统飞艇完全一样，但水蒸气飞艇内装有恒温器，用于对主气囊内的水蒸气进行补充热量。在飞行过程中，不断通过风扇和封闭管道，把较冷的水蒸气输送通过恒温器，补充热量，以维持整个飞艇气囊内水蒸气的温度。恒温器安装在气囊下部，根据需要，可以安装在多处，以便使气囊内各处气体温度更均匀。

在传统飞艇中，副气囊是起调节飞艇升降并维持主气囊压力的作用，如图3所示，当飞艇释放副气囊中的空气时，氦气膨胀，飞艇减轻重量，此时飞艇将上升；当飞艇往副气囊中压入空气，增加飞艇的总重量，压缩氦气，飞艇将下降。

在本发明的水蒸气飞艇中，如图4所示，采用高温水蒸气飞艇作为主气囊的填充气体，温度越高，水蒸气密度越低，获得更大浮力，飞艇将上升，使用高温水蒸气替代氦气；当飞艇要下降时候，从外界吸入空气，充入主气囊中(或副气囊中)，降低气囊内气体温度、增加飞艇重量，实现下降。飞艇起飞时，水蒸气可以直接从地面的大型锅炉或蒸气发生器获取，直接充入气囊，在飞行过程中，由飞艇内的恒温器补充热量维持水蒸气温度。

图5所示是本发明的水蒸气飞艇中气体恒温器的结构图，恒温器置于飞艇内部，气囊下部，根据需要，可以安装多处恒温器，以便使气囊内各处气体温度更均匀。恒温器由发热体、风扇、气流管道结合工作，风扇强制气体对流，不断把温度低的气体输向发热体；发热体可以是电发热体或者使用其他的发热体(如燃烧燃料发热)，可以是收集发动机废气热量的热交换器，电发热体可以用效率高的PTC半导体发热体(热转换效率可以高达93％以上)，而且不发光、不产生明火。

水蒸气飞艇除了内置结构上的改变外，在气囊的制造材料上，也有改变，以便适应气囊内温度的变化。图6中展示的是传统飞艇气囊材料的典型结构，其中，基本受力织物层主要承受力学载荷，采用高强度的纤维织物，如涤纶；隔气层的作用是防止内部氦气泄漏，同时也防止外部空气渗入，保持飞艇气囊有很好的气密性，如聚氟乙烯膜(镀铝后隔气性更好)；外防护层主要保护基本受力层和隔气层不受外部天候(如雨水、阳光)的影响，减缓其老化速度、延长使用寿命，防护膜亦可采用聚氟乙烯膜；抗剪织物层(斜裁)可有效避免飞艇被异物割开或撕裂。各层材料由粘合剂粘合。

图7中展示的是水蒸气飞艇气囊材料的典型结构，其中，外防护层、抗剪织物层、隔气层、基本受力织物层基本受力织物层的基本结构保持不变。由于飞艇填充气体为极其廉价的水蒸气，因此对隔气层的要求没有传统氦气飞艇高。

主要增加的是隔热保温层，隔热保温层的目的是防止气囊材料不被内部高温水蒸气所损害，同时保持热量不流失，维持水蒸气温度，减少热量补充，从而减少能量消耗。

由于水蒸气飞艇的内部的水蒸气温度较高，因此，气囊材料需要比传统飞艇承受更高的温度，传统飞艇的气囊材料是按照常温(通常是-40摄氏度至50摄氏度)来设计的，在水蒸气飞艇上，飞艇气囊内部的气体一般为100-150摄氏度，甚至更高，以便获得足够的升力，因此在水蒸气飞艇上，需要对飞艇气囊材料进行改进，以便能够承受高温水蒸气的侵蚀；同时，为了使气囊内水蒸气温度能够维持，需要气囊材料有保温作用，以防止热量的流失。

改进是这样进行的：在气囊内部增加一层隔热保温层，该隔热保温层一方面保护气囊不被高温气体所损害，另一方面能够减少热量流失，保持气体温度。隔热保温层是用轻质的高度隔热的材料制造，如多孔二氧化硅复合隔热材料、由玻璃纤维制成的超细纤维毡、气凝胶等，用这些材料制成厚度很薄的材料，然后贴在传统气囊材料的上，然后裁剪生产；也可以生产完成后，把隔热保温层再贴在飞艇气囊内壁上。

图7展示的是软式飞艇和的气囊材料的典型结构，对于半硬式飞艇，也可以参考此结构；对于硬式飞艇，外壳外硬质材料，可以有更多的选择余地，选用轻而且强度高的硬质符合材料作为飞艇外壳，也同时构成飞艇外壳，在内部有轻质骨架(由铝合金材料、碳纤维复合材料或玻璃纤维符合材料制造)固定支撑飞艇的形状，内部气囊与软式飞艇结构类似，气囊内壁安装上述隔热材料，避免受到内部高温水蒸气的损害，同时对高温水蒸气进行保温。总之，对于硬式飞艇、半硬式飞艇、软式飞艇，气囊结构中都包含内部隔热保温层，都是在传统飞艇的基础上，增加隔热保温层，以适应高温水蒸气的需要。

水蒸气飞艇安装有排气和输气的管道和鼓风机。在飞艇降落时，鼓风机开启，往气囊内灌入冷空气，可以直接灌入主气囊，也可以灌入副气囊，增加飞艇重量、降低气囊温度，实现飞艇降落。当飞艇要起飞时，加热主气囊内水蒸气，升高水蒸气温度，这时开动鼓风机排出主气囊或副气囊内多余水蒸气，降低重量，实现上升。

水蒸气飞艇的其他方面与传统飞艇基本相同。

本发明还可能有其他实施方案，但在不违背本发明精神实质的情况下，在具体实施时可做出相应的改变，但这些相应的改变都在本发明所附的权利要求保护范围之内。

附表：过热饱和水蒸气密度表

表中压力为绝对压力，密度单位为kg/m³

注：1个大气压为0.1Mpa，空气密度为1.29kg/m³

压力       温度(℃)

Mpa        150℃        170℃       190℃      210℃      230℃

0.10       0.5164       0.4925      0.4707     0.4507     0.4323

0.15       0.7781       0.7412      0.7079     0.6777     0.6500

0.20       1.0423       0.9918      0.9466     0.9056     0.8684

0.25       1.3089       1.2444      1.1869     1.1349     1.0849

0.30       1.5783       1.4990      1.4287     1.3653     1.3079

0.40       2.1237       2.0141      1.9166     1.8297     1.7513

0.50       2.6658       2.5380      2.4121     2.2997     2.1992

0.80       4.3966       4.1676      3.9350     3.7400     3.5374

1.10       6.1313       5.8332      5.5342     5.2356     4.9810

1.40       7.8785       7.5163      7.1540     6.7913     6.4288

1.70       9.8464       9.3688      9.2473     8.4130     7.9352

2.00       11.6295      11.0985     10.5676    10.0366    9.5054

2.50       15.1890      14.4516     13.7150    12.9776    12.2406

3.00       18.4168      17.5709     16.7243    15.8776    15.0367

3.50     22.7008    21.5713    20.4427    19.3131      18.2266

Claims (8)

1、一种水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇使用高温水蒸气作为气囊填充气体，水蒸气的温度通常在100-150摄氏度以上，甚至更高。由于水蒸气的密度大大低于空气密度，故能使飞艇获得足够浮力实现飞行。飞艇填充气体不再需要依赖氦气。

2、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇安装有气体恒温器，不断把气囊中水蒸气通过风扇输送通过恒温器，以维持高温水蒸气的温度；飞艇飞行时，气囊封闭，与外界大气隔开；恒温器可以安装在多处，以保证气体温度均匀；恒温器由电供热、燃料供热、发动机高温废气供热，也可以采用其他供热方式。

3、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇安装有水雾化装置或蒸气发生器，当飞艇启用时，把液态的水雾化成水气或者转化为水蒸气再充入气囊，便于加热器加热形成高温水蒸气；飞艇启用时，也可以通过地面设备(如锅炉、蒸汽发生器等)，直接把水蒸气输送进入气囊，然后由飞艇内的加热器维持水蒸气温度，实现长时间飞行

4、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇通过发动机带动发电机，为气囊内的加热器提供电力供应；如果不是采用电加热器，则为加热器提供其他能源。

5、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇气囊具有隔热和保温功能，以保证气囊不受内部高温水蒸气的侵害，同时对气囊内部气体进行保温。隔热功能的获得，可以采用具有隔热功能的气囊材料制造气囊，也可以通过采用传统材料制造气囊，然后再在气囊内壁粘贴隔热材料，隔热材料另一个目的是对气体进行保温，以防止水蒸气的热量流失而导致温度降低，进而导致水蒸气密度降低、气囊所产生的浮力减少。

6、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇准备要起飞时，加热器工作，加热气囊内水蒸气到必要温度，以获得足够浮力，此过程中，通过排气管道，排出多余水蒸气，降低总重量，飞艇上升；飞艇要降落时，从外界抽取冷空气注入副气囊(也可以直接注入主气囊)，降低飞艇内水蒸气温度并增加飞艇重量，使飞艇下降。

7、根据权利1所述的水蒸气飞艇，其特征在于，飞艇内装有水箱储备有水，以补充在飞艇在起飞、降落、飞行过程中水蒸气的损耗，补充水蒸气的方式如权利3所述，由水雾化装置或者蒸气发生器将液态水转化为雾状水气或水蒸气充入气囊。

8、根据权利1、2、3、4、5、6所述的水蒸气飞艇，原理完全不变的情况下，可以设计成软式飞艇、半软式飞艇、硬式飞艇、混合飞艇(飞艇与飞机、直升机的结合)，浮空原理和思路完全一样，但飞艇结构设计有所不同。

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