CN103303458B - 一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞艇浮力调节方法与装置，具体涉及一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置。为高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇提供一种简单可靠的、轻量化的大范围浮力调节方法和装置。它使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节。本发明的优点是利用飞艇本身携带的气体作为工质，采用开式热力循环的方式，系统简单可靠，气密性要求低。可具有制冷和制热两种工作模式，热力循环效率高，可实现气囊气体的冷却和加热，最终满足上升、驻空、下降期间的吸气、排气、温控、压控等要求。

Description

一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置

技术领域

本发明涉及高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇，特别是涉及一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置。

背景技术

近年来，在绿色航空、载重运输、信息平台等需求的牵引下，采用新技术、新材料的现代高性能飞艇蓬勃发展，在诸多应用领域可承担重要的角色。从当前发展重点来看，现代高性能飞艇主要包括高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等。这些飞艇具有长驻空、大载重的突出特点，对飞艇的浮力控制能力提出了很高的要求。以平流层飞艇为例，在上升和下降过程中，由于艇内气体随外界大气压力变化会产生热力学膨胀和压缩，其温度变化率若超过外界大气的温度变化率，则会产生超热(也称为过热)和过冷(也称为超冷)现象，以体积400,000m³的飞艇为例，地面1℃的过冷会产生约1,620kg的净重；在高空驻空期间，白天由于太阳辐射的影响，飞艇内部气体会产生超热现象，这一方面会使氦气膨胀，有可能超过允许的艇体体积，另一方面，会使得氦气密度降低，同时排出更多的空气，会产生数吨的净浮力(体积400,000m³的飞艇，过热30K约产生4吨的净浮力)，为使飞艇高度不变，需通过浮力调节手段，保持净浮力为零。因此，大范围(数吨)的浮力调节装置是保障飞艇上升到工作高度、保持高度定点和安全返回的关键设备。

传统的软式低空飞艇大多通过压力控制系统小范围地改变气体压力来实现一定的浮力调节，一些热气球和热气飞艇则采用燃烧器加热空气的方式改变浮力；气球和低空飞艇短期飞行也采用压舱物等方式改变飞艇净重进行浮力调节。这些方式均难以满足现代大型飞艇运行过程中需要的可逆的大范围浮力调节能力。如1999年出版的Airship Technology书中谈及的浮力调节方式。

根据气体状态方程可知，改变气体的温度和压力，可实现对气体密度的调节，从而改变飞艇的净浮力。因此，本发明提出了采用气体热力循环的方式，利用飞艇本身携带的气体作为工质，通过逆布雷顿等热力循环对飞艇气囊的气体进行加热和冷却，通过阀门切换对气囊的吸排气进行控制，可实现对气囊气体的温度和压力综合控制，从而达到飞艇浮力调节的要求。由于采用气囊中的空气和浮升气体作为工质，可采用开式热力循环，可采用气囊材料加工为循环回路，可对尾翼进行改造，作为与外界大气的换热器，从而简化系统设计，大幅降低体积重量的需求。

发明内容

本发明的目的是：为高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇提供一种简单可靠的、轻量化的大范围浮力调节方法和装置。它采用气体热力循环的方式，具有制冷和制热两种工作模式，对气囊中的气体进行加热、冷却和充放气，改变气囊气体的温度和压力控制，从而实现飞艇大范围浮力调节；通过采用开式循环，利用飞艇本身携带的气体作为工质，系统简单可靠；利用气囊材料加工为循环回路，利用尾翼作为与外界大气的换热器，实现系统轻量化的目标。

本发明是这样实现的：一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的方法，其中，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，用于防止飞艇过热，即进行制冷，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高于大气温度的高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与外部环境中的大气进行热交换，排出热量，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到接近大气温度的中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，降温，得到低于大气温度的低温低压气体；

步骤4、将步骤3中得到的低温低压气体充入气囊，使气囊中温度降低。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，在所述气体为空气时，在步骤1中，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，用于防止飞艇过冷，即进行制热，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与气囊内部的气体进行热交换，使气囊中温度升高，同时得到中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，得到低温低压气体；

步骤4、将步骤3中得到的低温低压气体和外界大气环境进行热交换，维持气囊中温度。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，在步骤4中，热交换的方式为：由外部环境中的大气对所述低温低压气体升温，将所述升温后的气体充入气囊。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，在所述气体为空气时，在步骤4中，热交换的方式为直接将低温低压气体排出气囊。

一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，其中，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，用于防止飞艇过热，即进行制冷，其中，包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、连接上述组件的管道；安装在气囊外部的：外部换热器；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，在所述气体为空气时，透平压缩机吸气口通过管道与外部大气环境连通，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，用于防止飞艇过冷，即进行制热，其中，包括：

安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器、连接上述组件的管道；安装在气囊外部的：外部换热器；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入外部换热器；外部换热器使低温低压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对低温低压气体升温，然后将升温后的气体再次充入气囊中。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，用于防止飞艇过冷，即进行制热，其中，包括：

安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器、连接上述组件的管道；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道排放到气囊之外。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器；安装在气囊外部的：外部换热器；以及连接上述组件的管道、管道上的阀门；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过冷，即进行制热时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入外部换热器；外部换热器使低温低压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对低温低压气体升温，然后将升温后的气体再次充入气囊中。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，在所述气体为空气时，在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：透平压缩机吸气口通过管道与外部大气环境连通，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器；安装在气囊外部的：外部换热器；以及连接上述组件的管道、管道上的阀门；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过冷，即进行制热时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道排放到气囊之外。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，包括：所述透平压缩机、透平膨胀机和电机为同轴一体结构，即：电机的转动能够驱动透平压缩机对气体进行压缩，透平膨胀机回收气体膨胀功的时候，也能驱动透平压缩机，电机的转轴与透平压缩机的驱动轴同步转动。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，所述外部换热器、艇内换热器为采用飞艇囊体材料加工而成的多个并联气体管路。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其中，所述管道采用囊体材料加工而成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)利用本发明中的气体热力循环的方式，可具有制冷和制热两种工作模式，热力循环效率高，可实现气囊气体的冷却和加热。传统的压力调节方式难以解决超热、过冷带来的浮力变化影响和超热带来的超压影响(在低空，2℃的超热会导致约676Pa的超压，威胁到蒙皮材料的安全)；传统的燃烧加热方式只能实现单向调节，无法解决超热问题，而且，由于燃料消耗，会导致飞艇净重的变化。本发明能够解决上述问题。

(2)利用系统回路设计和阀门控制，可改变循环方式和吸排气通道，从而可根据要求进行制冷和制热功能切换，以及对空气囊的吸排气控制和压力调节，最终满足上升、驻空、下降期间的吸气、排气、温控、压控等要求。

(3)利用飞艇本身携带的气体作为工质，采用开式热力循环的方式，系统简单可靠，气密性要求低。

利用气囊材料，在尾翼内部增加气体回路，作为与外界大气的换热器，并通过气压提供尾翼的刚度和强度，实现了充气尾翼的多功能设计；利用气囊材料，加工艇内换热器和连接管道；这大大降低了系统重量，实现系统轻量化的目标。

附图说明

图1为本发明的一种采用气体热力循环的空气囊浮力调节方法与装置的实施例示意图；

图2为本发明的一种采用气体热力循环的氦气囊浮力调节方法与装置的实施例示意图；

图3为本发明的一种采用气体热力循环的氦气囊浮力调节方法与装置的简化系统实施例示意图。

1.压缩机气囊内部吸气管道阀门、2.压缩机与气囊散换热器之间管道阀门、3.气囊换热器与膨胀机之间管道阀门、4.膨胀机气囊外部排气管道阀门、5.压缩机气囊外部吸气管道阀门、6.压缩机与尾翼换热器之间管道阀门、7.尾翼换热器至膨胀机之间管道阀门、8.膨胀机气囊内部排气管道阀门、9.膨胀机至尾翼换热器之间管道阀门、10.尾翼换热器内部排气管道阀门、11.外部大气、12.空气囊、13.氦气囊、14.压缩机、15.电机、16.膨胀机、17.尾翼换热器、18.气囊换热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

为使贵审查员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认识与了解，下文将结合具体实施方案，对本发明的设计思想进行说明，以使得审查员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图1，该图为一种采用气体热力循环的空气囊浮力调节方法与装置的实施例示意图。

本发明提供一种采用气体热力循环的飞艇浮力控制方法与装置，解决高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代飞艇的大范围浮力调节难题。

控制方法的思路在于：使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节。

其中，在封闭式的制冷和制热过程中，步骤1中压缩的气囊内部分气体，直接在气囊中收集；在制热过程的步骤4中，热交换的方式为：由外部环境中的大气对所述低温低压气体升温，将所述升温后的气体充入气囊。

而在开放式的制冷过程(主要用于气囊中气体为空气的时候)中，在步骤1中，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。在开放式的制热过程(主要用于气囊中气体为空气的时候)中，在步骤4中，热交换的方式为直接将低温低压气体排出气囊。

如图1所示，实现上述方法的设备包括：透平压缩机14(也简称压缩机)，它吸入气囊中的气体或外界大气进行压缩，排出高温高压气体；尾翼换热器17，它采用囊体材料加工而成的多个并联气体管路，实现循环气体与外界大气的充分热交换，使循环气体温度接近环境温度；透平膨胀机16(也简称膨胀机)，它使冷却后的气体工质膨胀后减压降温；气囊换热器18(可选)，它采用囊体材料加工而成的多个并联气体管路，实现循环气体与气囊内气体的充分热交换；驱动电机15(也简称电机)，它驱动透平压缩机14旋转，为压缩气体提供部分压缩功，另外的压缩功由回收的膨胀功提供；所述透平压缩机、透平膨胀机和电机为同轴一体结构，即：电机的转动能够驱动透平压缩机对气体进行压缩，透平膨胀机回收气体膨胀功的时候，也能驱动透平压缩机，电机的转轴与透平压缩机的驱动轴通过高精度的联轴节、或者直接加工为一体等方式连接，保持高精度同步转动。

管道，采用囊体材料加工，连接系统各部件，为气体循环提供通道；阀门(多个)，进行热力循环方式的切换，实现制冷、制热功能的转换，以及进气排气通道的转换。

除尾翼换热器17集成在尾翼上之外，其它设备均安装在空气囊12内。

本实施例中尾翼换热器17即发明内容中所述的外部换热器，作为外部换热器的其他实施方式，外部换热器当然也可以安装于气囊外表面等等其他能够与外界大气环境进行热交换的位置。气囊换热器18即发明内容中所述艇内换热器。

透平压缩机14、透平膨胀机16和驱动电机15为同轴一体结构，通过电机15和透平膨胀机16(回收的气体膨胀功)提供的动力驱动透平压缩机14，对气体工质进行压缩；透平膨胀机16使冷却后的气体工质进行膨胀减压，并实现降温，同时回收气体膨胀功，用于驱动透平压缩机14；尾翼换热器17采用囊体材料加工而成的多个并联气体管路，实现循环气体与外界大气的充分热交换，使循环气体温度接近环境温度，在制冷循环时它作为高压换热器，向外界大气排散热量，在制热循环时它可作为低压换热器，从外界大气中吸收热量；气囊换热器18亦可采用囊体材料加工而成多个并联气体管路，实现循环气体与气囊内气体的充分热交换，在制热循环时它作为高压换热器，将气体工质的热量传递给气囊内气体，在制冷循环时可不使用，直接将工质排入气囊；连接系统各部件的气体管道，采用囊体材料加工，为气体循环提供通道；采用多个阀门，通过阀门的开启和关闭，可进行热力循环方式的切换，实现制冷/制热和进气排气通道的转换。

请参阅图2，该图为本发明的一种采用气体热力循环的氦气囊浮力调节方法与装置的实施例示意图。与图1类似，该系统主要由驱动电机15、透平压缩机14、透平膨胀机16、尾翼换热器17、气囊换热器18、阀门(8个)和相应的管道组成，部件的功能和特点与系统1相同。

但由于氦气囊13相对封闭，正常情况下不与外界环境产生物质交换，因此，该系统不配备与外界大气连接的管路；另外，在制热循环过程中，与空气循环有一定的区别，空气循环可利用环境大气作为假想的开放式的换热系统，可直接将膨胀机16产生的冷气体排到大气中，与环境大气充分热交换，压缩机14直接吸入环境大气进行下一步循环，但氦气制热循环不能利用大气开放系统直接吸收热量，必须通过尾翼散热器，采用间接的方式，吸收外界大气的热量，因此，图2和图1的循环系统略有不同。

请参阅图3，该图为本发明的一种采用气体热力循环的氦气囊浮力调节方法与装置的简化系统实施例示意图。

由于在上升返回过程中可主要通过空气热力循环对空气囊12的温度、吸排气进行控制，在驻空期间主要需解决在白天太阳照射条件下的超热问题，因此，亦可采用只具备制冷功能的氦气热力循环系统来实现对氦气的冷却。

该简化系统主要包括驱动电机15、透平压缩机14、透平膨胀机16、尾翼换热器17和相应的管道组成，部件功能与图1和2中的系统相同。与图2中的系统相比，它不使用气囊换热器18等设备，系统得以大大简化。

下面说明系统的运行方式。飞艇在上升过程中，图1所示的空气囊12浮力调节装置进入排气制热模式，阀门1～4开启，阀门5～8关闭，形成如实线所示的热力循环，空气囊12的气体经阀门1吸入压缩机14进行压缩，排出的高温高压空气经阀门2进入气囊换热器18，与气囊内空气进行充分换热，将压缩空气携带的热能传递给气囊中的空气，冷却后的空气经阀门3进入膨胀机16，空气膨胀减压后降温，膨胀后的过冷空气通过阀门4排出飞艇，进入大气，与环境大气进行充分热交换。通过该循环可以把排出气囊的空气的部分能量保留在飞艇气囊中，充分利用被排出的空气在被压缩得到的热能、以及在膨胀过程中释放的机械功，对未排出的空气进行加热，提高飞艇气囊中空气的温度，减缓上升排气产生的过冷。

在飞艇驻空过程中，为解决白天太阳辐射导致的超热，图1所示的空气囊12浮力调节装置进入封闭制冷模式，阀门1和6～8开启，阀门5和2～3关闭，艇内空气经阀门1吸入压缩机14进行压缩，排出的高温高压空气经阀门6进入尾翼换热器17，与外界温度较低的大气进行充分换热，将压缩空气携带的热能传递给大气环境，冷却后的空气经阀门7进入膨胀机16，空气膨胀减压后降温，膨胀后的过冷空气通过阀门8排入空气囊12，与空气囊12中的空气进行充分热交换，降低空气囊12的温度。

在飞艇下降过程中，图1所示的空气囊12浮力调节装置进入吸气制冷模式，阀门1～4关闭，阀门5～8开启，形成如虚线所示的热力循环，外界大气经阀门5吸入压缩机14进行压缩，排出的高温高压空气经阀门6进入尾翼换热器17，与外界温度较低的大气进行充分换热，将压缩空气携带的热能传递给大气环境，冷却后的空气经阀门7进入膨胀机16，空气膨胀减压后降温，

膨胀后的过冷空气通过阀门8排入空气囊12，增加空气质量，与空气囊12中的空气进行充分热交换，降低空气囊12的温度。通过该循环可以把吸入大气的部分能量排散到环境中，再吸入空气囊12，从而降低飞艇气囊的温度，减缓下降吸气过程产生的过热。

若在上升过程中同时采用如图2所示的氦气囊13浮力调节装置，则阀门6～8关闭，阀门2、3、9、10开启，进入制热模式，形成如虚线所示的热力循环，压缩机14吸入气囊中的氦气进行压缩，排出的高温高压氦气经阀门2进入气囊换热器18，与气囊内氦气进行充分换热，将压缩氦气携带的热能传递给气囊中的氦气，冷却后的氦气经阀门3进入膨胀机16，氦气膨胀减压后降温，膨胀后的过冷氦气通过阀门9进入尾翼换热器17，与外界较高温度的大气进行充分热交换，从环境大气中吸收热量。通过该循环可以把外界大气的热量传输到氦气囊13中，加热氦气，提高飞艇氦气温度，减缓上升膨胀过程中产生的过冷。

同时，若采用图2所示的氦气囊13浮力调节装置，阀门6～8开启，阀门2、3、9、10关闭，进入制冷模式，形成如实线所示的热力循环，压缩机14吸入气囊中的氦气进行压缩，排出的高温高压氦气经阀门6进入尾翼换热器17，与外界大气进行充分换热，将压缩后的热氦气冷却到接近环境温度，冷却后的氦气经阀门7进入膨胀机16，氦气膨胀减压后降温，膨胀后的过冷氦气排入气囊，与气囊中的气体充分进行热交换。氦气囊13亦可采用图3所示的简化氦气囊13浮力调节装置，其中氦气压缩机14吸入气囊中氦气进行压缩，排出的高温高压氦气进入尾翼换热器17，与外界空气进行充分热交换后得到冷却，冷却后的高压氦气进入膨胀机16进行膨胀减压，产生低温氦气直接排入气囊，冷却气囊中氦气。

若在下降过程中同时采用如图2所示的氦气囊13浮力调节装置，阀门6～8开启，阀门2、3、9、10关闭，进入制冷模式，形成如实线所示的热力循环，压缩机14吸入气囊中的氦气进行压缩，经阀门6进入尾翼换热器17，与外界大气进行充分换热，冷却后的氦气经阀门7进入膨胀机16，氦气膨胀减压后降温，膨胀后的过冷氦气排入气囊。

亦可采用图3所示的简化氦气囊13浮力调节装置，其中压缩机14吸入气囊中氦气进行压缩，排出的氦气进入尾翼换热器17，与外界空气进行充分热交换进入膨胀机16进行膨胀减压，产生低温氦气直接排入气囊，冷却气囊中氦气。通过该循环可以把氦气压缩的热量排散到外界大气中，降低飞艇内氦气温度，减缓下降压缩过程中产生的过热。

以上所述，仅为本发明的实施例之一，但并不限制本发明的范围。依据本发明权利要求所做的等效变化及修改，仍属于本发明的范围，故都应视为本发明的进一步实施例。例如，除本发明实施例列出的热力循环方式之外，采用其它方式的制冷/制热气体热力循环方式，也是本发明的有效变化及修改；本发明实施例仅示例对一个气囊的控制，对于多个气囊的控制，可通过简单的串并联回路加以实现，本文不再进一步阐述，但也是本发明的有效变化及修改。

综上所述，本发明提供一种采用气体热力循环的飞艇浮力控制方法与装置，具有简单可靠、质量轻、浮力调节能力强的特点，可解决高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇的大范围浮力调节难题，具备很强的竞争力。

Claims (15)

1.一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的方法，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，其特征在于：用于防止飞艇过热，即进行制冷，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高于大气温度的高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与外部环境中的大气进行热交换，排出热量，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到接近大气温度的中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，降温，得到低于大气温度的低温低压气体；

步骤4、将步骤3中得到的低温低压气体充入气囊，使气囊中温度降低。

2.如权利要求1所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其特征在于：在所述气体为空气时，在步骤1中，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

3.一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的方法，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，其特征在于：用于防止飞艇过冷，即进行制热，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与气囊内部的气体进行热交换，使气囊中温度升高，同时得到中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，得到低温低压气体；

步骤4、将步骤3中得到的低温低压气体和外界大气环境进行热交换，维持气囊中温度。

4.如权利要求3所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其特征在于：在步骤4中，热交换的方式为：由外部环境中的大气对所述低温低压气体升温，将所述升温后的气体充入气囊。

5.如权利要求3所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其特征在于：在所述气体为空气时，在步骤4中，热交换的方式为直接将低温低压气体排出气囊。

6.—种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，用于防止飞艇过热，即进行制冷，其特征在于：包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、连接上述组件的管道；安装在气囊外部的：外部换热器；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊。

7.如权利要求6所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其特征在于：在所述气体为空气时，透平压缩机吸气口通过管道与外部大气环境连通，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

8.—种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，用于防止飞艇过冷，即进行制热，其特征在于：包括：

安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器、连接上述组件的管道；安装在气囊外部的：外部换热器；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入外部换热器；外部换热器使低温低压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对低温低压气体升温，然后将升温后的气体再次充入气囊中。

9.—种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，用于防止飞艇过冷，即进行制热，其特征在于：包括：

安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器、连接上述组件的管道；

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道排放到气囊之外。

10.—种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，其特征在于：包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器；安装在气囊外部的：外部换热器；以及连接上述组件的管道、管道上的阀门；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过冷，即进行制热时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入外部换热器；外部换热器使低温低压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对低温低压气体升温，然后将升温后的气体再次充入气囊中。

11.如权利要求10所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其特征在于：在所述气体为空气时，在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：透平压缩机吸气口通过管道与外部大气环境连通，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

12.—种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的装置，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节，其特征在于：包括：安装在气囊内的：透平压缩机、电机、透平膨胀机、艇内换热器；安装在气囊外部的：外部换热器；以及连接上述组件的管道、管道上的阀门；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过热，即进行制冷时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到外部换热器；外部换热器使高温高压气体与外部环境中的大气进行热交换，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道充入气囊；

通过阀门的控制，使得：在用于防止飞艇过冷，即进行制热时：

透平压缩机由电机驱动，对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；高温高压气体通过管道传送到艇内换热器；艇内换热器使高温高压气体与气囊内的其它气体进行热交换，由高温高压气体对气囊内的其它气体升温，同时，得到中温高压气体；中温高压气体通过管道传送到透平膨胀机；透平膨胀机使中温高压气进行膨胀，得到低温低压气体；透平膨胀机得到的低温低压气体经过管道排放到气囊之外。

13.如权利要求6-12中任一项所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其特征在于：包括：所述透平压缩机、透平膨胀机和电机为同轴一体结构，即：电机的转动能够驱动透平压缩机对气体进行压缩，透平膨胀机回收气体膨胀功的时候，也能驱动透平压缩机，电机的转轴与透平压缩机的驱动轴同步转动。

14.如权利要求6-12中任一项所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其特征在于：所述外部换热器、艇内换热器为釆用飞艇囊体材料加工而成的多个并联气体管路。

15.如权利要求6-12中任一项所述的一种釆用气体热力循环的飞艇浮力调节装置，其特征在于：所述管道釆用囊体材料加工而成。