CN104943845A - 一种氢能源飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮空器设计领域，具体涉及一种氢能源飞艇，包括有艇体和吊舱，所述艇体包括主气囊和副气囊，所述主气囊内充有氢气作为浮升气体，所述副气囊内充有空气，所述吊舱上设置有驱动飞艇前进的推进装置和为所述推进装置提供动力的动力系统，所述动力系统为采用氢气作为燃料的氢燃料发动机，所述动力系统与所述主气囊之间通过设置输气管道接通。本申请的飞艇，采用氢气作为浮升气体和燃料，并且，作为燃料的氢气和作为浮升气体的氢气可以相互转换，如此，使得本申请的飞艇不仅可以零尾气排放实现环保，还能够良好地控制飞行高度，具有良好的高度保持能力。

Description

一种氢能源飞艇

技术领域

本发明涉及浮空器设计领域，具体涉及一种氢能源飞艇。

背景技术

飞艇是一种具有推进和飞行控制装置的浮空器，就其结构而言，通常包括充有氦气的艇体、位于艇体下方的吊舱、起稳定控制作用的尾翼和提供动力的推进系统。飞艇因其良好的可靠性和安全性，以及可进行定点悬停的特点，广泛应用于目前的航拍、测绘、广告等领域中。

近年来，随着民众环保意识的增强和电动推进技术的进步，以及平流层高度飞行研究热潮的到来，电动飞艇成为目前飞艇研究领域的热点。

但是，目前电动飞艇的研制尚有许多待攻克的关键技术，其中就包括能源和高度保持等技术问题。

就目前的平流层飞艇的高度保持问题，具体为：由于目前飞艇结构中，其艇体通常为封闭式的结构，即，在艇体内充满气体后就将整个艇体封闭，不能够实时的对艇体内部的气体进行调节，而在飞艇前进或者悬浮过程中，其所处环境和时间段各有不同，当环境温度发生变化时，根据PV＝nRT(克拉伯龙方程)，其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体的物质的量，T为体系温度，R为比例系数，可知，当温度升高时，艇体的体积V将会增大，而当温度降低时，艇体的体积V将会缩小，再根据阿基米德浮力计算公式F＝ρgV可知，当艇体的体积V增大时，飞艇受到的浮力增大，此时，飞艇竖直方向上的平衡被打破，飞艇呈上升趋势；而当环境温度降低时，艇体的体积V收缩，飞艇所受到的浮力减小，此时，飞艇竖直方向上的平衡也会被打破，飞艇呈下降趋势。正因于此，使得目前飞艇的高度保持问题一直难以解决。

如中国实用新型专利《一种太阳能旋翼充气软体无人飞艇》，专利号为：CN201420669969.3，其飞艇结构，包括艇身前部和中部充有氦气的无人飞艇，所述无人飞艇艇身呈中部下凹的三角形，艇身上设有太阳能采集和存储装置、上升旋翼、前推旋翼、摆动尾翼和视频采集传输系统，利用太阳能为无人飞艇长时间巡检提供动力，滞空时间长，且具有上升旋翼和摆动尾翼，可精确调整悬停位置，减小震动，有利于采集到清晰的图像。在该专利中，在温度发生变化时，其艇身依然会发生变化，虽然其在竖直方向上设置有上升旋翼，但是该上升旋翼只能在飞艇需要上升动力时，提供动力输出，而并不能对高度保持提供任何帮助。

另一方面，目前的电动飞艇设计均采用氦气作浮升气体、太阳能薄膜电池或锂电池作能源，电动机作动力的技术方案：

如中国实用新型专利《太阳能电动飞艇》，专利号：CN200820083421.5，其公开了一种太阳能电动飞艇，包括气囊构造的艇体，在艇体的上表面覆贴太阳能电池层，艇体中部设有驾驶舱、氦气充气装置和电能储存装置，尾部设有推进器；艇体下部装有四条智能伸缩支腿和四个平衡推进器，在尾部推进器后方设有方向舵。该实用新型由于在艇体的上表面覆贴太阳能电池层，白天靠太阳能电池供电，夜间靠蓄电池供电，可减小艇载蓄电池的体积和重量，一次续航距离延长。

再如中国发明专利《一种飞艇太阳能光伏电池热控制方法》，专利号：CN201410129192.6，其公开了一种飞艇太阳能光伏电池热控制方法，在太阳能光伏电池与飞艇蒙皮之间留有间距，太阳能光伏电池沿飞艇轴向连续铺设，或断续铺设周向形成太阳能光伏电池阵列，太阳能光伏电池与飞艇蒙皮之间通过若干均匀分布的连接组件连接；该发明通过在飞艇蒙皮与太阳能光伏电池之间留有间距，以降低太阳能光伏电池温度，提高电效率，同时消除太阳能光伏电池废热向飞艇浮升气体的传递；另一方面，不要求太阳能光伏电池为柔性，降低了太阳能光伏电池制造难度。

正如上述两个专利文件所述的飞艇结构，由于飞艇是采用太阳能作为动力源，需要在飞艇上布置大面积的太阳能薄膜电池和相应的蓄电池组，以及相应的电动机，而正因于此使得目前电动飞艇都存在着显著缺点：1)太阳能薄膜电池效率低，所需铺设面积非常大，造成能源重量非常大，而且太阳能薄膜电池由一个个单体拼接而成铺装困难、易损、可靠性低且铺装后维护不便；2)锂电池比能量小，重量大，造价高，而且具有充电次数限制；3)电动机功率密度低，推进功率较大时所需动力装置的重量较大。所以，在目前的电动飞艇中，能源和动力装置具有较重的重量，首先是降低了其负载能力，而且还使得飞艇的制造成本昂贵，后期维护困难。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前电动飞艇存在的上述问题，即具有良好的高度保持能力，又能够减轻能源和动力装置重量，并且动力持久，后期维护方便的飞艇。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种氢能源飞艇，包括有艇体和设置在所述艇体上的吊舱，所述艇体包括主气囊和副气囊，所述主气囊内充有氢气作为浮升气体，所述副气囊内充有空气，所述吊舱上设置有驱动飞艇前进的推进装置和为所述推进装置提供动力的动力系统，所述动力系统为采用氢气作为燃料，所述动力系统与所述主气囊之间通过设置输气管道接通。

在本申请的上述方案中，浮升气体为氢气，动力系统使用氢气作为燃料，首先是氢气作为燃料，其燃烧后的产物为水，不会带来任何污染，所以使得本申请的飞艇具有良好的环保性能；更为重要的是，在本方案中，飞艇的动力系统采用的是氢气作为燃料，较传统的太阳能电力飞艇而言，本申请的飞艇不需要布置大面积的太阳能电池薄膜，直接大幅减轻了本申请飞艇结构的重量，减小了飞艇的载重负担；而且还使得飞艇结构简单，降低了制造成本，方便制造和后期的维护工作；而且，以氢气作为燃料的动力系统，氢气具有较高的能量密集度，所以较采用储能电池的动力系统而言，可显著减少能源重量，也进一步的减轻了本申请飞艇结构的重量；

再一方面，在本申请的上述方案中，主气囊内浮升气体和动力系统的燃料都为氢气，并且动力系统与主气囊之间通过设置输气管道接通，使得主气囊内的氢气与动力系统内的氢气之间可以相互流通，也就是说，可以通过动力系统控制主气囊内的氢气量，使主气囊的体积发生变化，进而实现对飞艇进行控制，进一步详细的说明，本申请的飞艇结构中，当主气囊中的氢气进入到动力系统中时，艇体的体积减小，进而使飞艇呈下降趋势；同理，当动力系统中的氢气进入到主气囊中时，艇体的体积增大，进而使飞艇呈上升趋势。

基于上述，使得，本申请所述涉及的飞艇在实际飞行环境中，当环境温度升高，艇体的体积增大，使得飞艇具有升高的趋势时，此时使主气囊内的部分氢气进入到动力系统之中，以平衡艇体的体积变化，进而避免艇体的体积增大，如此，消除飞艇升高的趋势，达到保持飞艇高度的目的；同理，当环境温度降低，艇体的体积减小时，使得飞艇具有下降的趋势，此时是动力系统中的氢气进入主气囊，以平衡艇体的体积变化，进而避免艇体的体积减小，如此，消除飞艇下降的趋势，达到保持飞艇高度的目的。

综上所述，本申请的飞艇结构，采用氢气作为浮升气体和燃料，并且，作为燃料的氢气和作为浮升气体的氢气可以相互转换，如此，使得本申请的飞艇结构不仅能够良好的控制飞行高度，具有良好的高度保持能力，而且还减轻了飞艇结构的重量，减小了飞艇的载重负担，使得飞艇结构简单，方便制造和后期的维护。

作为本申请进一步的优选方案，所述动力系统包括有气体压缩装置，所述气体压缩装置与所述主气囊通过所述输气管道接通。在本方案中，动力系统包括有气体压缩装置，如此，通过气体压缩装置实现氢气在主气囊与动力系统之间的转换。

作为本申请进一步的优选方案，所述动力系统包括有第一储气装置，所述第一储气装置内充有氢气作为所述动力系统的燃料，所述第一储气装置与所述气体压缩装置接通。在本方案中，动力系统包括第一储气装置，第一储气装置内充有氢气作为动力系统的燃料，即，在需要减小飞艇艇体体积时，通过气体压缩装置，将主气囊内的氢气压缩进入第一储气装置，而在在需要增大艇体体积时，再通过气体压缩装置，将第一储气装置内的氢气压缩进入主气囊。

作为本申请的进一步优选方案，所述动力系统还包括有与所述推进装置相配合的动力装置。由动力装置为推进装置提供动力输出。

作为本申请的进一步优选方案，所述动力装置为氢燃料发动机，所述动力装置与所述第一储气装置通过设置输气管道连接。使得第一储气装置内的氢气作为动力装置的燃料。

作为本申请的进一步优选方案，所述动力系统还包括有电池组件，所述电池组件与所述气体压缩装置和动力装置导电连接。

所述电池组件为氢氧燃料电池，所述电池组件通过设置的每个输气管道与对应的所述第一储气装置、第二储气装置连接，并使用所述第一储气装置内的氢气和所述第二储气装置内的氧气作燃料。

在本申请的上述方案中，通过氢氧燃料电池作为气体压缩装置和动力装置的供电电源，使得本申请的飞艇结构中，所需的电源都由氢氧燃料电池提供，进而显著减少其他形式的储能电池，进一步减轻了本申请飞艇的重量，而且还避免了常规电池带来的污染。

在上述方案中，设置有充有氧气的第二储气装置，由于，在本申请的方案中，动力装置为氢燃料发动机，电池组件为氢氧燃料电池，当飞艇在低空飞行时，由于空气中氧气含量充足，此时，氢燃料发动机可以由第一储气装置中的氢气与外部空气混合作为氢燃料发动机的燃料，而当飞艇飞行高度较高时，此时空气中氧气含量稀少，第一储气装置中的氢气与空气混合后不再能够良好的反应输出动力，所以在本申请的方案中还设置有充有氧气的第二储气装置，当飞艇在进行高空飞行时，由第二储气装置为氢燃料发动机补充氧气，使氢燃料发动机内能够良好的输出动力；同理，对应氢氧燃料电池，当飞艇在进行高空飞行时，通过第二储气装置为氢氧燃料电池补充所需的氧气，如此，使得本申请的飞艇不但能够适应与低空飞行，同样也能够适应的高空飞行。

作为本申请的进一步优选方案，所述主气囊与所述第一储气装置之间的输气管道上设置有阀体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、飞艇使用氢气作为燃料、氢发动机作动力，理论上排放物仅为水，对环境没有任何污染；

2、可显著减少能源重量，降低飞艇的重量，降低飞艇的负担，进一步的节约了能量；

3、作为燃料的氢气和作为浮升气体的氢气可以相互转换，如此，使得本申请的飞艇结构能够良好的控制飞行高度，具有良好的高度保持能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

附图标记：1-艇体，11-主气囊，12-副气囊，2-吊舱，3-推进装置，4-动力系统，41-气体压缩装置，42-第一储气装置，43-动力装置，44-电池组件，45-第二储气装置，5-阀体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种氢能源飞艇，包括有艇体1和设置在所述艇体1上的吊舱2，所述艇体1包括主气囊11和副气囊12，所述主气囊11内充有氢气作为浮升气体，所述副气囊12内充有空气，所述吊舱2上设置有驱动飞艇前进的推进装置3和为所述推进装置3提供动力的动力系统4，所述动力系统4为采用氢气作为燃料的氢燃料发动机，所述动力系统4与所述主气囊11之间通过设置输气管道接通。

在本方案中，推进装置为至少一个，每一个所述推进装置相对应的设置有一个动力装置，首先是提高了本申请飞艇的动力输出，提高飞艇的前进速度，同时，当推进装置为多个时，多个推进装置可以具有不同的推进方向，如此，还可以实现对飞艇的刹车以及对飞艇方向的调整。

在本实施例的上述方案中，浮升气体为氢气，动力系统4使用氢气作为燃料，首先是氢气作为燃料，其燃烧后的产物为水，不会带来任何污染，所以使得本实施例的飞艇具有良好的环保性能；更为重要的是，在本实施例中，飞艇的动力系统4采用的是氢气作为燃料，较传统的太阳能电力飞艇而言，本实施例的飞艇不需要布置大面积的太阳能电池薄膜，直接大幅减轻了本实施例飞艇结构的重量，减小了飞艇的载重负担；而且还使得飞艇结构简单，降低了制造成本，方便制造和后期的维护工作；

而且，以氢气作为燃料的动力系统4，具有较高的能量密集度，所以较采用储能电池的动力系统而言，可显著减少能源重量，也进一步的减轻了本实施例飞艇能源和动力装置的重量；

再一方面，在本实施例的上述方案中，主气囊11内浮升气体和动力系统4的燃料都为氢气，并且动力系统4与主气囊11之间通过设置输气管道接通，使得主气囊11内的氢气与动力系统4内的氢气之间可以相互流通，也就是说，可以通过动力系统4控制主气囊11内的氢气量，使主气囊11的体积发生变化，进而实现对飞艇进行控制，进一步详细的说明，本实施例的飞艇结构中，当主气囊11中的氢气进入到动力系统4中时，艇体1的体积减小，进而使飞艇呈下降趋势；同理，当动力系统4中的氢气进入到主气囊11中时，艇体1的体积增大，进而使飞艇呈上升趋势。

基于上述，使得，本实施例所述涉及的飞艇在实际飞行环境中，当环境温度升高，艇体1的体积增大，使得飞艇具有升高的趋势时，此时使主气囊11内的部分氢气进入到动力系统4之中，以平衡艇体1的体积变化，进而避免艇体1的体积增大，如此，消除飞艇升高的趋势，达到保持飞艇高度的目的；同理，当环境温度降低，艇体1的体积减小时，使得飞艇具有下降的趋势，此时是动力系统4中的氢气进入主气囊11，以平衡艇体1的体积变化，进而避免艇体1的体积减小，如此，消除飞艇下降的趋势，达到保持飞艇高度的目的。

综上所述，本实施例的飞艇结构，采用氢气作为浮升气体和燃料，并且，作为燃料的氢气和作为浮升气体的氢气可以相互转换，如此，使得本实施例的飞艇结构不仅能够良好的控制飞行高度，具有良好的高度保持能力，而且还减轻了飞艇结构的重量，减小了飞艇的载重负担，使得飞艇结构简单，方便制造和后期的维护。

实施例2：

如图1所示，如实施例1的飞艇结构，所述动力系统4包括有气体压缩装置41，所述气体压缩装置41与所述主气囊11通过所述输气管道接通，所述动力系统4包括有第一储气装置42，所述第一储气装置42内充有氢气作为所述动力系统4的燃料，所述第一储气装置42与所述气体压缩装置41接通。

在本实施例中，动力系统4包括有气体压缩装置41，如此，通过气体压缩装置41实现氢气在主气囊11与动力系统4之间的转换，动力系统4包括第一储气装置42，第一储气装置42内充有氢气作为动力系统4的燃料，即，在需要减小飞艇艇体1体积时，通过气体压缩装置41，将主气囊11内的氢气压缩进入第一储气装置42，而在在需要增大艇体1体积时，再通过气体压缩装置41，将第一储气装置42内的氢气压缩进入主气囊11。

实施例3：

如图1所示，如实施例2的飞艇结构，

所述动力系统4还包括有与所述推进装置3相配合的动力装置43，所述动力装置43为氢燃料发动机，所述动力装置43与所述第一储气装置42通过设置输气管道连接，所述动力系统4还包括有电池组件44，所述电池组件44与所述气体压缩装置41和动力装置43导电连接，所述电池组件44为氢氧燃料电池，所述电池组件44通过设置的每个输气管道与对应的所述第一储气装置42、第二储气装置45连接，并使用所述第一储气装置内的氢气和所述第二储气装置内的氧气作燃料。

在本实施例的上述方案中，第一储气装置42内的氢气作为动力装置43的燃料，通过氢氧燃料电池作为气体压缩装置41和动力装置43的供电电源，使得本实施例的飞艇结构中，显著减少了其他储能电池的重量，进一步的减轻了本实施例飞艇结构的重量，而且还避免了常规电池带来的污染。

实施例4：

如图1所示，如实施例3的飞艇结构，所述动力系统4还包括有第二储气装置45，所述第二储气装置45内充有氧气，所述第二储气装置45与所述动力装置43通过设置输气管道连接，所述第二储气装置45与所述电池组件44通过设置输气管道连接，所述主气囊11与所述第一储气装置42之间的输气管道上设置有阀体5。

在上述实施例中，设置有充有氧气的第二储气装置45，由于，在本实施例的方案中，动力装置43为氢燃料发动机，电池组件44为氢氧燃料电池，当飞艇在低空飞行时，由于空气中氧气含量充足，此时，氢燃料发动机可以由第一储气装置42中的氢气与外部空气混合作为氢燃料发动机的燃料，而当飞艇飞行高度较高时，此时空气中氧气含量稀少，第一储气装置42中的氢气与空气混合后不再能够良好的反应输出动力，所以在本实施例的方案中还设置有充有氧气的第二储气装置45，当飞艇在进行高空飞行时，由第二储气装置45为氢燃料发动机补充氧气，使氢燃料发动机内能够良好的输出动力；同理，对于氢氧燃料电池，当飞艇在进行高空飞行时，通过第二储气装置45为氢氧燃料电池补充所需的氧气，如此，使得本实施例的飞艇不但能够适应与低空飞行，同样也能够适应的高空飞行。

实施例5：

如图1所示，如实施例1的飞艇结构，所述推进装置3为两个，每一个所述推进装置3相对应的设置有一个动力装置43。首先是提高了本实施例飞艇的动力输出，提高飞艇的前进速度，同时，两个推进装置3可以具有不同的推进方向，如此，还可以实现对飞艇的刹车以及对飞艇方向的调整。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢能源飞艇，包括有艇体和设置在所述艇体上的吊舱，所述艇体包括主气囊和副气囊，其特征在于，所述主气囊内充有氢气作为浮升气体，所述副气囊内充有空气，所述吊舱上设置有驱动飞艇前进的推进装置和为所述推进装置提供动力的动力系统，所述动力系统为采用氢气作为燃料，所述动力系统与所述主气囊之间通过设置输气管道接通。

2.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述动力系统包括有气体压缩装置，所述气体压缩装置与所述主气囊通过所述输气管道接通。

3.根据权利要求2所述的飞艇，其特征在于，所述动力系统包括有第一储气装置，所述第一储气装置内充有氢气作为所述动力系统的燃料，所述第一储气装置与所述气体压缩装置接通。

4.根据权利要求3所述的飞艇，其特征在于，所述动力系统还包括有与所述推进装置相配合的动力装置。

5.根据权利要求4所述的飞艇，其特征在于，所述动力装置为氢燃料发动机，所述动力装置与所述第一储气装置通过设置输气管道连接。

6.根据权利要求5所述的飞艇，其特征在于，所述动力系统还包括有电池组件，所述电池组件与所述气体压缩装置和动力装置导电连接。

7.根据权利要求6所述的飞艇，其特征在于，所述电池组件为氢氧燃料电池，所述电池组件与所述第一储气装置通过设置输气管道连接。

8.根据权利要求6所述的飞艇，其特征在于，所述动力系统还包括有第二储气装置，所述第二储气装置内充有氧气，所述第二储气装置与所述动力装置通过设置输气管道连接。

9.根据权利要求8所述的飞艇，其特征在于，所述第二储气装置与所述电池组件通过设置输气管道连接。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的飞艇，其特征在于，所述主气囊与所述第一储气装置之间的输气管道上设置有阀体。