CN106394855B - 一种含有氢气调节装置的平流层飞艇 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，属于平流层飞艇的浮力调节技术领域。平流层飞艇中的艇身内部包括氢气囊和空气囊，氢气囊中带有头罩，头罩内带有压力传感器；平流层飞艇中的吊舱中带有浮升调节系统和储氢压舱物；浮力调节系统包括氢气处理系统、燃料储箱、空气存储器、燃料电池、能源管理系统、锂电池、水电解器、氢气净化器和水存储器；氢气产生装置为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为四个空腔；氢气产生装置通过分离解锁装置固定连接在吊舱外面，打开分离解锁装置时氢气产生装置从吊舱上抛出。

Description

一种含有氢气调节装置的平流层飞艇
技术领域
本发明涉及一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，属于平流层飞艇的浮力调节技术领域。
背景技术
平流层飞艇是一种轻于空气的临近空间飞行器，工作高度在20公里左右，能长时间定点驻空，非常适合作为新型信息平台，用来进行宽带通信、高精度对地观测、区域预警等，已成为目前国内外的研究热点。
飞艇在运行过程中必须满足两个平衡，一个是压力平衡，一个是浮重平衡。压力平衡是飞艇内外压差必须保持在一定范围内如500pa左右。浮重平衡是飞艇总浮力和总重力满足飞艇升/驻/返需要达到一定量值。压力平衡和浮重平衡由于艇内温度变化规律的影响造成两种平衡不能同时可靠，致使飞艇无法正常运行，如上升过程中艇内温度过低致使保形空气太多造成飞艇总重力太大，总浮力无法平衡总重力致使飞艇很难上升；下降过程中艇内温度过高造成艇内外压差过高致使无法鼓入空气，造成飞艇无法产生足够的净重力下降；驻空过程中白天艇内温度上升，为了保持浮力，艇内外压差非常大致使蒙皮无法承受。
发明内容
本发明的解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种含有氢气调节装置的平流层飞艇。
本发明的技术解决方案是：
一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，平流层飞艇中的艇身内部包括氢气囊和空气囊，氢气囊中带有头罩，头罩内带有压力传感器；
平流层飞艇中的吊舱中带有浮升调节系统和储氢压舱物；
所述的浮力调节系统包括氢气处理系统、燃料储箱、空气存储器、燃料电池、能源管理系统、锂电池、水电解器、氢气净化器和水存储器；
氢气处理系统通过管道与头罩连接，氢气处理系统通过管道与燃料储箱连接，燃料储箱通过管道与燃料电池相连，空气存储器通过管道与燃料电池相连，燃料电池通过管道与水存储器相连，燃料电池通过电缆与能源管理系统相连；
锂电池通过电缆与能源管理系统连接，能源管理系统通过电缆与水电解器相连，水存储器通过管道与水电解器相连，水电解器通过管道与氢气净化器相连，氢气净化器通过管道与氢气处理系统相连；
储氢压舱物包括氢气产生装置、分离解锁装置和气体阀门；
氢气产生装置为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为四个空腔，其中上面三个空腔，下面一个空腔，上面三个空腔分别装着催化剂、强酸溶液、水，下面一个空腔装着NaBH4粉末；隔离板上带有液体阀门；
氢气产生装置通过分离解锁装置固定连接在吊舱外面，打开分离解锁装置时氢气产生装置从吊舱上抛出；
氢气产生装置与氢气处理系统之间通过管路连接，管路上有气体阀门；
氢气处理系统与氢气囊中的头罩通过管路连接，从氢气处理系统中的氢气通过头罩进入到氢气囊中。
氢气处理系统包括氢气压缩机和增压鼓风机；
燃料储箱用于储存高压氢气；
能源管理系统用于将燃料电池产生的电能输送给锂电池，并将锂电池的电能应用到水电解器中；
氢气净化器用于将水电解器产生的氢气进行干燥、净化；
水存储器用于存储燃料电池产生的水，并根据需要将水输送给水电解器。
氢气产生装置为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为四个空腔，其中上面三个空腔，下面一个空腔，上面三个空腔分别装着催化剂(催化剂为Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、强酸溶液(强酸溶液为盐酸溶液)、纯净水，下面一个空腔装着NaBH粉末；隔离板上带有液体阀门。
氢气产生装置为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为三个空腔，其中上面两个空腔，下面一个空腔，上面两个空腔分别装着催化剂(催化剂为Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、强酸溶液(强酸溶液为盐酸溶液)，下面一个空腔装着NaBH水溶液；隔离板上带有液体阀门。
分离解锁装置为爆炸螺栓。
分离解锁装置为可控解锁挂钩。
与氢气产生装置连接的管路之间的作用力小于氢气产生装置的重力，即当氢气产生装置从吊舱上脱落时，氢气产生装置与管路就会断开。
空气存储器中还包括一个空气压缩机，空气存储器与空气囊通过管路连接，当燃料电池所需的空气不足时，空气存储器就会提供空气给燃料电池，同时，空气囊中的空气也会进入到空气存储器中，并通过空气存储器中的空气压缩机进行压水电解器产生的氢气通过管道与空气囊连接，将氢气输送到空气囊中，使空气囊中的空气成为富氧空气。
附图说明
图1为本发明的平流层飞艇带有浮升调节系统的结构组成示意图；
图2为本发明的平流层飞艇带有储氢压舱物的结构组成示意图；
图3为本发明的氢气产生装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种新的飞艇大尺度浮力调节控制方法，解决平流层飞艇升/驻/返过程中的热力学“超冷”、“超热”问题和长期驻空浮升气体泄漏补充问题。使用氢气作为浮升气体与能源系统进行一体化，使氢气到水的气液相变过程产生电能，尽量减少大尺度浮力调节带来的能源消耗。通过以上创新设计能够减小平流层飞艇设计尺寸，提高飞艇的载重能力，降低飞艇使用费用，增强能源系统性能，解决飞艇上升、下降、驻空过程中存在的热力学问题。
针对平流层飞艇上升过程的“超冷”问题、下降过程的“超热”问题、驻空过程的“昼夜温差”问题、长期驻空浮升气体泄漏问题，严重影响平流层飞艇达到“放飞上升、定点驻留、下降返场”的基本目标。本发明提供一套安全可靠的工程化系统解决方案。典型技术特色如下所述。
(1)浮升气体与能源系统一体化
①为了能够较大范围的调节飞艇的浮重能力，彻底解决热力学中的“超冷”、“超热”问题；②上升过程不用多充入氦气，下降过程不用放氦气，彻底解决传统方法浪费氦气的问题；③平流层飞艇长期驻空，浮升气体泄漏后会失去净浮力，需要补充泄漏的浮升气体。采用浮升气体与能源系统一体化方案，此方案中浮升气体含有氢气。配备以氢作燃料的燃料电池产生电能以减少系统调整浮力过程中水电解消耗的能量，燃料电池工作将艇内氢气转化为水增加飞艇系统净重力。配备水电解器产生艇内氢气增加飞艇系统净浮力。根据平流层飞艇升/驻/返过程中浮重平衡需要调整艇内氢气的质量。
(2)艇上不携带专门的氧气存贮设备
①不携带高压氧气及氧气罐，为平流层飞艇系统设计减重；②直接从空气中提取氧气经燃料电池作用产生水，使平流层飞艇净重力调节更有效；③水经过电解器后将产生的氧气排放到空气囊中，空气囊排出空气，空气囊内具有富氧空气，使平流层飞艇净浮力调节更有效。对于燃料电池堆与大气中氧反应，在低空可以与空气中的氧气进行反应，在平流层由于臭氧浓度高，可与臭氧进行反应。
(3)含氢量高的化学物质储存氢气
①上升过程中，水电解产生氢气速度较慢，满足不了飞艇快速上升抗拒“超冷”提升净浮力的用氢需要；②上升过程需要持续补充氢气，地面一次性补充氢气会导致净浮力过大，飞艇起步上升速度过快，造成艇结构损坏。该设备取名储氢压舱物，一方面，通过化学反应产生氢气，提供持续净浮力增加，另一方面，在上升过程的11km高度，抛掉产生氢气完成后的剩余物质，起到抛压舱物的效果，进行阶跃净浮力增加控制。本方案采用含氢量高的化学物质储存氢气，化学物质如金属氢化物储氢、配位氢化物储氢、有机物储氢等。通过含氢量高的化学物质储存在较小空间中，在需要充气展开时，利用含氢量高的化学物质与其它反应物在适合的环境中混和产生氢气。化学反应使氢气快速产生充入氢气囊中，形成快速大范围浮力增加控制。化学反应速度可以通过催化剂和溶液PH值来调节，因此放氢气的速度是可通过催化剂和稳定剂进行调节的，同时通过调节反应物的剂量也可以控制氢气的产生速度。
本发明在常规平流层飞艇氦气囊空气囊设计基础上增加一个浮升调节气囊氢气囊的部署，浮升调节气囊用于可控质量氢气的存放，从而大范围调整飞艇浮力变化。以下对平流层飞艇升/驻/返过程中本发明使用工作原理进行阐述。
参考美国联邦航空局1987年颁布了FAA－P－8110－2《飞艇设计准则》(1995年第二次修订)，我国民用航空总局1997年颁布了《飞艇适航标准》(AC－21－09)，以及英国Lindstrand公司(承担欧空局临近空间飞艇设计)的飞行要求和阶段划分，初步将临近空间飞艇整个飞行过程分为飞行前准备、起飞段、低空机动段、上升段、高度逼近段、高空机动段、定点驻空段、下降段、低空机动段、着陆段。
在地面转运阶段，浮升调节气囊中不存在氢气，飞艇内只有空气和氦气，飞艇处于微净重力状态，适合地面转运。
在上升阶段，储氢压舱物挂在吊舱上，通过化学反应向浮升调节气囊内充入氢气，飞艇增加净浮力，开始上升，上升过程中，在0～11km高度范围内，浮升调节系统持续进行水电解反应产生氢气，由于环境补能影响，主要由势能增加导致的平流层飞艇“超冷”现象不是太严重，此时，通过储氢压舱物持续化学反应放出氢气来补充由于“超冷”现象艇内气体体积减小。在储氢压舱物持续放出氢气的过程中，飞艇能够保持持续上升，到11km高度，飞艇进入同温层，飞艇将失去环境补能的影响，环境温度在11km处于间断点，平流层飞艇上升过程“超冷”现象从这一点开始更加严重，上升过程中的各种物理特性从此点开始发生阶跃变化，因此，从此高度点开始，平流层飞艇需要抛下吊舱挂载的已经化学反应完全放完氢气的储氢压舱物，抛储氢压舱物对重力来说是一个间断变化过程，因此，弥补了11km高度温度间断点带来的问题。
在上升过程中的11km～19km高度范围内，浮升调节系统持续进行水电解反应产生氢气，通过补充氢气囊氢气来抗拒“超冷”现象。
在从19km～20km上升过程中，飞艇惯性力较大，要提前进行减速，浮升调节气囊内的氢气转化为水，逐步消除净浮力的存在，并且根据艇内气体温度上升造成的艇内外压差增加，逐步将艇内氢气转化为水，使飞艇保持浮重平衡。此过程是氢气转化为水的发电过程，正好解决由于上升造成的能源消耗问题。
在驻空阶段，平流层飞艇受到太阳辐射、地面反照、地面红外辐射等复杂环境影响造成艇内气体昼夜温差现象，夜间艇内气体温度较低，浮升调节气囊内充入氢气，保持飞艇浮重平衡，早上太阳辐射产生时，艇内气体温度升高，为了保持艇内外压差在一定范围内(500pa左右)，浮升调节气囊内氢气逐步转化为水，属于发电过程，向锂电池充电，部分解决夜间能源消耗问题。在中午12点附近，太阳辐射逐步减弱，此时为了保持艇内外压差平衡，利用太阳能电池充电过程进行水电解，使浮升调节气囊内氢气逐步增加，为了更有效利用太阳能，减轻锂电池系统负担，接近夜间还能获取太阳能时，加快电解速度，使浮升调节气囊内氢气质量达到夜间需求量，在艇内气体温度还较高情况下，可以微量增加艇内外压差，并可以使飞艇上升到一定高度。
在准备进入下降阶段，为了使飞艇能够下降，随时能够处于净重力状态，在中午12点附近浮升调节气囊内需要保留一定量的氢气，下降的最佳时间在锂电池系统充满电，太阳辐射消失的傍晚时刻，浮升调节气囊内氢气快速转化为水，产生的电能用于增加飞艇空速，减弱由于下降造成的“超热”现象，此时飞艇处于净重力状态。
在下降过程中，20km～11km高度快速将浮升调节气囊内氢气转化为水，穿越西风急流区，在11km下，由于环境补能作用，下降过程的“超热”现象会更加严重，此时，继续利用在艇上剩余储备的储氢压舱物，储氢压舱物中的储氢化合物(NaBH4粉末)也可以做干燥剂使用，这种干燥剂可以吸收云层中的水分，使储氢压舱物重量增加，从而增加飞艇的净重。
在飞艇快到地面阶段，由于飞艇惯性力较大，需要提前进行减速，同时存在严重“超热”现象，此时可以通过水电解、储氢压舱物继续放氢气、抛储氢压舱物、利用“超热”现象对飞艇进行减速。使飞艇有时间机动到艇库附近。
总之，氢气作为浮升调节气体的方法可以有效解决飞艇升/驻/返过程中的“超冷”、“超热”现象，使平流层飞艇达到“放飞上升、定点驻留、下降返场”的基本目标。
(1)浮升调节系统
A.本发明与现有技术相比的有益效果是
彻底解决“升/驻/返”过程中“超冷”、“超热”问题。平流层飞艇在“升/驻/返”的过程中，在0～20km高度范围内飞行，高度范围跨度大，总浮力变化达十几倍；由于热力学膨胀和压缩过程，以及与周边环境的传热传质，造成飞艇内浮升气体和空气会产生“超热”和“过冷”现象，例如，上升过程中，由于艇内气体随外界大气压力降低产生热力学膨胀，在绝热条件下，空气和氦气分别会产生约9.8℃/km和13.6℃/km的降温，而外界大气温度变化仅为6.5℃/km(0～11km)或0℃/km(11～20km)，因此，在0～11km高度范围，艇内氦气和空气会产生3.3℃/km和7.1℃/km的过冷，在11～20km高度范围，艇内氦气和空气会产生9.8℃/km和13.6℃/km的过冷，而地面1℃的过冷会产生约1,620kg的净重(若艇体积400,000m3)；另外，在驻空期间，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(过热30K,体积400,000m3，约产生4吨的净浮力)，为使飞艇高度不变，需通过调节手段，保持净浮力为零。因此，大范围(数吨)快速浮力调节技术是“升/驻/返”的核心关键技术。
在上升过程中遭遇“超冷”现象，如果不采取干预手段，飞艇无法上升。
B.在驻空阶段氢气与氨气作为飞艇浮升调节气体的比较
夏至，若调节气体为氨气，最大回收速率为0.3265kg/s，最大释放速率为0.3253kg/s。夏至，若调节气体为氢气，最大回收速率为0.0386kg/s，最大释放速率为0.0385kg/s。
采用氢气作为调节气体在计算气化消耗能量时，需要扣除氢气液化能产生的能量，而且使用氢气可以减小飞艇体积，降低抗风阻力，减少艇内昼夜能源循环需求量，因此，氢气作为调节气体是比较节能的选择。
C.浮升调节气囊配合太阳辐射上升方案有效性
若选择太阳日为172(夏至)，11点开始放飞，2.65小时到达20km高度。
D.浮升调节气囊配合加大空速下降方案有效性
若飞艇以18m/s的合速度运动，并充分利用气动升力，且气动升力为4500N。飞艇下降到2km需要的时间为4.04小时，其中下降到11km花费时间1.07小时。从以上分析来看，飞艇垂直向下力和合速度对飞艇下降能力具有较大影响，因此平流层飞艇推进系统，特别是适合于从上到下具有较大推力的推进系统在平流层飞艇设计中非常关键。同时，在不同高度分配垂直向下力和合速度的数值，使其进行优化组合，能够较大幅度增强飞艇的下降能力。
(2)储氢压舱物
A.多种储氢化学物质比较
配位氢化物储氢具有生成氢气需要的环境简单、储氢量高、反应可控等优点，因此是优选方案，为了说明本方案的效果，对配位氢化物的储氢量，占用体积，反应环境，反应生成氢气量和反应速度进行分析。配位氢化物储氢量如下表所示：
由上表可知，硼氢化钠的质量储氢密度和体积储氢密度都不是最高，但是对硼氢化钠的研究和应用已经较为成熟，因此进行效果分析选择硼氢化钠较为合适。
B.NaBH4水解反应的优势
NaBH4是一种强还原剂，在有机化学和无机化学方面有广泛的应用，工业上广泛用于制药，也用作布料染料、精细有机合成、木浆漂白、非金属及金属材料的化学镀膜、磁性材料制造、贵金属回收、工业废水处理等等方面。目前NaBH4的全球年产量约为5000～6000吨，美国90％的硼氢化钠是由凡特朗公司生产的。德国的拜耳公司也有少量NaBH4生产。
硼氢化钠和水组成的反应体系可提供纯净、增湿的氢源；室温下可用塑料容器常压存储；自身及副产物对环境无害，与其他燃料相比具有更低的易燃性和爆炸性；硼氢化钠水溶液在空气中可稳定存在达数月之久。
其水溶液的稳定性可以由溶液温度和pH值来进行调节。当加入特定催化剂的时候，硼氢化钠可以迅速地发生水解反应，释放出大量高纯度的氢气，其反应按下式进行：
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2(ΔH＝-300kJ)
采用NaBH4制氢具有以下一些特点：
储氢容量高，硼氢化钠的饱和水溶液浓度可达35％，此时的储氢量为7.4wt％；
NaBH4水溶液具有阻燃性，并且在加入稳定剂后能够稳定存在于空气中；
溶液需要特定的催化剂来进行引发，可快速释放出氢气；
反应的引发可以在低温下进行，不需要外部提供额外能量；
反应的副产物NaBO2对环境无污染，并且可以作为合成NaBH4的原料进行回收再利用；
产生的氢气纯度高，不含其他杂质，只有少量的水分；
氢气产率高，NaBH4基本可以完全反应；
直至氢气全部放出为止，反应速度几乎保持不变。
NaBH4是一种无毒的白色晶状粉末，摩尔质量为37.83g/mol，密度为1.0740g/cm3，本身储氢容量为10.8wt.％。
C.NaBH4水解控制氢气产生速度的方法
上面生成氢气的反应在没有催化剂的情况下也能进行，其反应速度依赖于溶液的PH值和温度。Kreevoy等人发现，这一速度由下面公式决定：
lgt1/2＝pH-(0.034T-1.92)
式中t1/2是半衰期(NaBH4水溶液分解1/2的时间)，以min为单位；T是绝对温度，以K为单位。
若在高空温度较低的环境下，反应物水的pH值应该尽量低，使成酸性。
NaBH4的水解反应实际上是溶液中两种不同价态中间物(H+、BH4 -)之间的反应。如果溶液中H+浓度太低，NaBH4溶液水解反应的速度会大大降低，因此碱性环境可以抑制NaBH4水溶液水解的原因。但是通过催化剂调节可以加速NaBH4的水解反应。如下为部分催化剂的效应。
D.NaBH4储氢效能
NaBH4摩尔质量为37.83g/mol，密度为1.0740g/cm3，本身储氢容量为10.8wt.％。硼氢化钠的饱和水溶液浓度可达35％，若水密度按照1g/cm3，NaBH4饱和水溶液密度为1.3759*103kg/m3，溶液储氢量为7.4wt％，因此溶液储氢密度为101.8166kg/m3。
NaBH4饱和水溶液生成氢气并不是在一定体积条件下生成氢气量最多的反应方案，但是其主要优点在于目前应用较为成熟，反应速度的控制容易实现。除了NaBH4饱和水溶液反应外，NaBH4与HCl溶液反应也能快速产生氢气，但是反映速度需要通过专门的设备控制。
浮升调节系统实施方式
氢气囊被氦气囊覆盖，这样更加有利于氢气囊的安全性，由于氢气是艇内最轻气体，氢气囊顶着飞艇顶端，飞艇囊体顶部需要做安全处理。为了简化系统设计，氢气通过一条管道连接氢气囊和氢气回收释放系统。氢气回收释放系统类似于再生燃料电池，只是不携带专门的氧气存储系统，将艇内一级压缩含氧空气进行二级压缩后储备以供燃料电池使用，从副气囊抽取空气借助鼓风机实现一级压缩有利于系统的简化，提高燃料电池效率。由于不携带氧气存储系统，水电解后的氧气排到空气囊中，排出的氧气需要进行充分的水萃取，使其完全干燥后排出。为了更多获取艇上水资源，副气囊上鼓风机中可安装水萃取系统，提取空气中的水分。
储氢压舱物系统实施方式
(1)储氢压舱物布局
储氢压舱物挂在吊舱外部，为配合浮重平衡，随时可以抛下飞艇。另一方面，储氢压舱物能够通过化学反应产生氢气，通过氢气处理系统将氢气输送给飞艇，补充飞艇必须的氢气。
(2)储氢压舱物系统构成
储氢压舱物系统通过充气管向氢气处理系统传送氢气，氢气经氢气处理系统增压增速后向飞艇浮升调节气囊内充入氢气。氢气产生调节控制系统通过反应生成热、反应剧烈程度、对系统安全性影响、系统所处高度、系统“超冷”情况、已充入氢气量等参数借助催化剂、反应物混和量和反应酸性等手段调节反应速度，从而控制氢气的产生量。为了在有限的体积内多生成氢气，可以用NaBH4粉末与水分离逐步在NaBH4粉末中注入水反应的方式，此方案还有一个好处是粉末状的NaBH4可以作为干燥剂，因此，具有大气或云层中吸水的能力，适合在下降过程中使用。另一种方式是NaBH4碱性水溶液储存氢气，通过催化剂与强酸调节反应速度。
浮升气体与能源系统一体化系统实施方式
燃料储箱中的氢气是高压的氢气，通过氢气处理系统可以将氢气囊中的氢气与燃料储箱中的高压氢相互转换，燃料储箱中的高压氢传输给燃料电池的反应堆。高压氢气的燃料储箱用于协助调整进入燃料电池氢气的流速和压力。
艇上没有专门的氧气存储设备，水电解的氧气直接排放到副气囊中，副气囊中的含氧空气经过高压处理后存储在含氧高压空气处理存储器，等燃料电池需要时提供氧气。
浮升调节系统类似于再生燃料电池系统，只是根据浮升调节气囊尺寸和变化速度进行最小化的系统。平流层飞艇的主要电能还是储存在锂离子电池中，浮升调节系统在增加浮力电解水的过程需要锂离子电池供电，在减小浮力燃料电池工作过程中向锂离子电池充电。
(4)系统工作流程
A、上升过程的飞行策略
准备放飞段(0km)：通过储氢压舱物系统或专门的氢气输入系统将浮升调节气囊中充入氢气，多充部分浮升调节气囊工质，或提前启动热力循环装置，增大“浮升调节气囊”体积，抛掉部分储氢压舱物，使飞艇从净重力状态转换到净浮力状态。
上升初段(0km～11km)：0km～11km随着高度的上升温度逐渐降低，飞艇在上升过程中存在环境补能的影响，“超冷”现象不是很严重。在上升过程中，为应对此阶段的“超冷”导致的浮力损失，根据上升过程中的气体温差和上升速度进行反馈控制，一方面，通过“空气囊”阀门控制空气排气流量，另一方面，通过“浮升调节气囊”的热力循环装置，控制工质的热力学状态参数，逐步增大“浮升调节气囊”的体积比例，满足飞艇的净浮力和压力的双重控制要求。
上升末段(11km～19km)：此段高度属于同温层，飞艇失去环境补能影响的同时，艇内空气大量排出飞艇总重减小，在11km间断点附件，飞艇可抛下储氢压舱物使上升速度维持在一定范围内，其他操作与上升初段类似。穿越西风急流区过程中，飞艇需要加速上升。
机动段(19km～20km)：飞艇上升到约19km高度时，通过液化调节气囊工质的方式，或启动热力循环逆过程，逐步降低“浮升调节气囊”的体积比例，飞艇逐步减速，避免形成高度过冲导致囊体压力过大，威胁飞艇安全。
B、高空驻留段飞行策略
在白天，随着太阳高度角的变大，飞艇囊内气体的温度逐渐升高，为避免艇内外压力差增加，同时保证飞艇保持浮重平衡，实现高度定点，“浮升调节气囊”启动氢气液化过程，逐步减小其体积比例，允许“浮升气囊”逐渐膨胀，以抑制艇内部气体压力增加，保证蒙皮安全；光照减弱后，飞艇内囊气体温度逐渐降低，艇内外压力差降低，此时可逐步通过电解过程控制“浮升调节气囊”的体积比例增大，保持艇内外压差控制在安全范围内。在夜晚，“浮升调节气囊”处于低功耗或待机状态。
C、下降过程的飞行策略
在正常返回下降工作模式中，飞艇不必在“超热”最严重的正午启动下降过程，而可以在内外温差较小的夜晚下降，这样可以使飞艇获得更大的净重力。
在下降过程中，为应对热力学压缩产生的“超热”导致的浮力增大(净重力减小)，根据下降过程中的气体温差和下降速度进行反馈控制，一方面，通过“空气囊”阀门和风机控制外部空气的进气流量，另一方面，通过“浮升调节气囊”的液化循环装置，控制工质的热力学状态参数，逐步减小“内调节气囊”的体积比例，满足飞艇的净重力和压力的双重控制要求。
接近地面时，可通过化学反应方法快速释放氢气改变“内调节气囊”的体积比例，快速产生要求的净浮力，避免抛扔艇上设备来实现减速着陆。
综上所述，本发明提供的氢气作为平流层飞艇浮升调节气体的设计方案能够安全可靠的解决平流层飞艇设计中能源余量浪费、大范围调节浮重能力等问题，能够解决平流层飞艇升/驻/返过程中的“超冷”、“超热”现象，适用于平流层飞艇净浮/重力调节，其应用价值得到体现，已符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用性。
实施例
如图1和图2所示，一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，平流层飞艇中的艇身内部包括氦气囊101、氢气囊103(也称为浮升调节气囊)和空气囊102，氢气囊103中带有头罩104，头罩104内带有压力传感器，压力传感器用于判断氢气囊103中的氢气是否用尽，头罩104用于氢气囊103的囊体赌塞氢气管道；
平流层飞艇中的吊舱中带有浮升调节系统和储氢压舱物；
所述的浮力调节系统包括、氢气处理系统105、燃料储箱106、空气存储器107、燃料电池108、能源管理系统109、锂电池110、水电解器111、氢气净化器112、水存储器113；
氢气处理系统105包括氢气压缩机和增压鼓风机；
燃料储箱106用于储存高压氢气；
能源管理系统109用于将燃料电池108产生的电能输送给锂电池110，并将锂电池110的电能应用到水电解器111中；
氢气净化器112用于将水电解器111产生的氢气进行干燥、净化；
水存储器113用于存储燃料电池108产生的水，并根据需要将水输送给水电解器111；
浮力调节系统又分为氢气液化系统和水电解系统，氢气液化系统构造如下所示，氢气处理系统105通过管道与头罩104连接，氢气处理系统105通过管道与燃料储箱106连接，燃料储箱106通过管道与燃料电池108相连，空气存储器107通过管道与燃料电池108相连，燃料电池108通过管道与水存储器113相连，燃料电池108通过电缆与能源管理系统109相连；水电解系统构造如下所示，锂电池110通过电缆与能源管理系统109连接，能源管理系统109通过电缆与水电解器111相连，水存储器113通过管道与水电解器111相连，水电解器111通过管道与氢气净化器112相连，氢气净化器112通过管道与氢气处理系统105相连。
储氢压舱物包括氢气产生装置114、分离解锁装置115和气体阀门116。
如图3所示，氢气产生装置114为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为四个空腔，其中上面三个空腔，下面一个空腔，上面三个空腔分别装着催化剂、强酸溶液、水溶液，下面一个空腔装着NaBH4粉末。隔离板上带有液体阀门，当液体阀门打开时四个空腔中的化学物质能够进行充分混合并产生氢气。
氢气产生装置114为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为三个空腔，其中上面两个空腔，下面一个空腔，上面两个空腔分别装着催化剂、强酸溶液，下面一个空腔装着NaBH4水溶液。隔离板上带有液体阀门，当液体阀门打开时三个空腔中的化学物质能够进行充分混合并产生氢气。
氢气产生装置114通过分离解锁装置115固定连接在吊舱外面，打开分离解锁装置115时氢气产生装置114可从吊舱上抛出；分离解锁装置115可以为爆炸螺栓等火工品或为可控解锁挂钩；
氢气产生装置114与氢气处理系统105之间通过管路连接，管路上有气体阀门116，与氢气产生装置114连接的管路之间的作用力小于氢气产生装置114的重力，即当氢气产生装置114从吊舱上脱落时，氢气产生装置114与管路就会断开。
氢气处理系统105与氢气囊103中的头罩104通过管路连接，从氢气处理系统105中的氢气通过头罩104进入到氢气囊103中；
空气存储器107中还包括一个空气压缩机，空气存储器107与空气囊102通过管路连接，当燃料电池108所需的空气不足时，空气存储器107就会提供空气给燃料电池108，同时，空气囊102中的空气也会进入到空气存储器107中，并通过空气存储器107中的空气压缩机进行压缩；
水电解器111产生的氢气通过管道与空气囊102连接，将氢气输送到空气囊102中，使空气囊102中的空气成为富氧空气。
工作过程：
地面转运段(0km)：氢气囊103中存在微量氢气，飞艇处于微净重力状态，适合地面转运。
准备放飞段(0km)：平流层飞艇通过外部氢气输入系统、储氢压舱物和浮力调节系统向氢气囊103中充入氢气，增大氢气囊103体积，排出空气减小空气囊102体积，抛掉已经完全放完氢气的储氢压舱物，使飞艇从净重力状态转换到净浮力状态。其中外部氢气输入系统直接接入氢气处理系统105向氢气囊供应氢气。
具体过程为：储氢压舱物中的氢气产生装置114中的液体阀门被打开，使化学反应物质充分混合，产生氢气，系统自动打开管路上的气体阀门116，氢气通过管路进入氢气处理系统105，进行压力调整后通过管路经过头罩104进入氢气囊103。待储氢压舱物中的氢气放完，分离解锁装置115触发，氢气产生装置114与吊舱分离，由于重力作用，氢气产生装置114与气体阀门116脱离，储氢压舱物抛下飞艇，达到减重的效果。此时，浮力调节系统中的水存储器113充满纯净水，水电解器111开始工作产生氢气，氢气通过管道经过氢气净化器112进行干燥净化后，经过氢气处理系统105调整到适当的压力后，经由管路输向氢气囊103。
上升初段(0km～11km)：0km～11km随着高度的上升温度逐渐降低，飞艇在上升过程中存在环境补能的影响。在上升过程中，为应对此阶段的“超冷”导致的浮力损失，根据上升过程中的气体温差和上升速度进行反馈控制，一方面，通过空气囊102的阀门控制空气排气流量，另一方面，通过储氢压舱物和浮力调节系统向氢气囊103中充入氢气，逐步增大氢气囊103的体积比例，满足飞艇的净浮力和压力的双重控制要求。
具体过程为：储氢压舱物中的氢气产生装置114中的液体阀门被打开，使化学反应物质充分混合，产生氢气，系统自动打开管路上的气体阀门116，氢气通过管路进入氢气处理系统105，进行压力调整后通过管路经过头罩104进入氢气囊103。水电解器111利用水存储器113中的水开始工作产生氢气，氢气通过管道经过氢气净化器112进行干燥净化后，经过氢气处理系统105调整到适当的压力后，经由管路输向氢气囊103。
上升末段(11km～19km)：此段高度属于同温层，飞艇失去环境补能影响的同时，艇内空气大量排出飞艇总重减小，在11km间断点附件，飞艇可抛下储氢压舱物使上升速度维持在一定范围内，其他操作与上升初段类似。穿越西风急流区过程中，飞艇需要加速上升。
具体过程为：在11km高度，抛下已经放完氢气的储氢压舱物，分离解锁装置115触发，氢气产生装置114与吊舱分离，由于重力作用，氢气产生装置114与气体阀门116脱离，储氢压舱物抛下飞艇，达到减重的效果。水电解器111产生氢气，氢气通过管道经过氢气净化器112进行干燥净化后，经过氢气处理系统105调整到适当的压力后，经由管路输向氢气囊103。
机动段(19km～20km)：飞艇上升到约19km高度时，逐步降低氢气囊103的体积比例，减弱净浮力，飞艇逐步减速，避免形成高度过冲导致囊体压力过大，威胁飞艇安全。
具体过程为：氢气处理系统105吸入氢气囊103中的氢气，并将高压氢气储存在燃料储箱106中，将燃料储箱106中的氢气和空气存储器107富氧高压空气输送到燃料电池108中产生电能和水，电能直接输送给能源管理系统109，水传送到水存储器113中。
高空驻留飞行段(20km范围)：在白天，随着太阳高度角的变大，飞艇囊内气体的温度逐渐升高，为避免艇内外压力差增加，同时保证飞艇保持浮重平衡，浮升调节系统启动氢气液化过程，逐步减小氢气囊103体积比例，允许空气囊102和氦气囊101逐渐膨胀，以抑制艇内部气体压力增加，保证蒙皮安全；光照减弱后，飞艇内囊气体温度逐渐降低，艇内外压力差降低，此时可逐步通过浮升调节系统的电解过程控制氢气囊103的体积比例增大，保持艇内外压差控制在安全范围内。在夜晚，氢气囊103处于低功耗或待机状态。
具体过程为：在白天，随着太阳高度角的变大，飞艇囊内气体的温度逐渐升高，更具内外压差传感器，控制浮升调节系统启动氢气液化过程，氢气处理系统105吸入氢气囊103中的氢气，并将高压氢气储存在燃料储箱106中，将燃料储箱106中的氢气和空气存储器107富氧高压空气输送到燃料电池108中产生电能和水，电能直接输送给能源管理系统109，水传送到水存储器113中。正午过后，艇内气体温度开始下降，控制浮升调节系统启动水电解过程，水电解器111利用水存储器113中的水开始工作产生氢气，氢气通过管道经过氢气净化器112进行干燥净化后，经过氢气处理系统105调整到适当的压力后，经由管路输向氢气囊103。
下降段(20km～2km)：在正常返回下降工作模式中，飞艇不必在“超热”最严重的正午启动下降过程，而可以在内外温差较小的夜晚下降，这样可以使飞艇获得更大的净重力。在下降过程中，为应对热力学压缩产生的“超热”导致的浮力增大(净重力减小)，根据下降过程中的气体温差和下降速度进行反馈控制，一方面，通过空气囊102阀门和风机控制外部空气的进气流量，另一方面，通过氢气囊103中氢气的液化逐步减小氢气囊103的体积比例，满足飞艇的净重力和压力的双重控制要求。
具体过程为：控制浮升调节系统启动氢气液化过程，氢气处理系统105吸入氢气囊103中的氢气，并将高压氢气储存在燃料储箱106中，将燃料储箱106中的氢气和空气存储器107富氧高压空气输送到燃料电池108中产生电能和水，电能直接输送给能源管理系统109，水传送到水存储器113中。
下降接近地面段(2km～0km)：接近地面时，储氢压舱物和浮力调节系统向氢气囊103中充入氢气，增大氢气囊103体积，排出空气减小空气囊102体积，抛掉已经完全放完氢气的储氢压舱物，使飞艇净重力逐渐减弱，不至于飞艇产生硬着陆。
具体过程为：储氢压舱物中的氢气产生装置114中的液体阀门被打开，使化学反应物质充分混合，产生氢气，系统自动打开管路上的气体阀门116，氢气通过管路进入氢气处理系统105，进行压力调整后通过管路经过头罩104进入氢气囊103。待储氢压舱物中的氢气放完，分离解锁装置115触发，氢气产生装置114与吊舱分离，由于重力作用，氢气产生装置114与气体阀门116脱离，储氢压舱物抛下飞艇，达到减重的效果。此时，浮力调节系统中的水存储器113充满纯净水，水电解器111开始工作产生氢气，氢气通过管道经过氢气净化器112进行干燥净化后，经过氢气处理系统105调整到适当的压力后，经由管路输向氢气囊103。

Claims (10)

1.一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：平流层飞艇中的艇身内部包括氢气囊(103)和空气囊(102)，氢气囊(103)中带有头罩(104)，头罩(104)内带有压力传感器；
平流层飞艇中的吊舱中带有浮力调节系统和储氢压舱物；
所述的浮力调节系统包括氢气处理系统(105)、燃料储箱(106)、空气存储器(107)、燃料电池(108)、能源管理系统(109)、锂电池(110)、水电解器(111)、氢气净化器(112)和水存储器(113)；
氢气处理系统(105)通过管道与头罩(104)连接，氢气处理系统(105)通过管道与燃料储箱(106)连接，燃料储箱(106)通过管道与燃料电池(108)相连，空气存储器(107)通过管道与燃料电池(108)相连，燃料电池(108)通过管道与水存储器(113)相连，燃料电池(108)通过电缆与能源管理系统(109)相连；
锂电池(110)通过电缆与能源管理系统(109)连接，能源管理系统(109)通过电缆与水电解器(111)相连，水存储器(113)通过管道与水电解器(111)相连，水电解器(111)通过管道与氢气净化器(112)相连，氢气净化器(112)通过管道与氢气处理系统(105)相连；
储氢压舱物包括氢气产生装置(114)、分离解锁装置(115)和气体阀门(116)；
氢气产生装置(114)为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为四个空腔，其中上面三个空腔，下面一个空腔，上面三个空腔分别装着催化剂、强酸溶液、水，下面一个空腔装着NaBH4粉末；隔离板上带有液体阀门；
氢气产生装置(114)通过分离解锁装置(115)固定连接在吊舱外面，打开分离解锁装置(115)时氢气产生装置(114)从吊舱上抛出；
氢气产生装置(114)与氢气处理系统(105)之间通过管路连接，管路上有气体阀门(116)；
氢气处理系统(105)与氢气囊(103)中的头罩(104)通过管路连接，从氢气处理系统(105)中的氢气通过头罩(104)进入到氢气囊(103)中或氢气囊(103)中的氢气经过头罩(104)吸入到氢气处理系统(105)中。
2.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：氢气处理系统(105)包括氢气压缩机和增压鼓风机；
燃料储箱(106)用于储存高压氢气；
能源管理系统(109)用于将燃料电池(108)产生的电能输送给锂电池(110)，并将锂电池(110)的电能应用到水电解器(111)中；
氢气净化器(112)用于将水电解器(111)产生的氢气进行干燥、净化；
水存储器(113)用于存储燃料电池(108)产生的水，并根据需要将水输送给水电解器(111)。
3.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：氢气产生装置(114)中上面三个空腔装着的催化剂为Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E；强酸溶液为盐酸溶液；纯净水；下面一个空腔装着NaBH4粉末。
4.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：氢气产生装置(114)为一容器，容器中间通过隔离板将容器分为三个空腔，其中上面两个空腔，下面一个空腔，上面两个空腔分别装着催化剂、强酸溶液，下面一个空腔装着NaBH4水溶液；隔离板上带有液体阀门。
5.根据权利要求4所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：氢气产生装置(114)中上面两个空腔装着的催化剂为Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E；强酸溶液为盐酸溶液。
6.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：分离解锁装置(115)为爆炸螺栓。
7.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：分离解锁装置(115)为可控解锁挂钩。
8.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：与氢气产生装置(114)连接的管路之间的作用力小于氢气产生装置(114)的重力，即当氢气产生装置(114)从吊舱上脱落时，氢气产生装置(114)与管路就会断开。
9.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：空气存储器(107)中还包括一个空气压缩机，空气存储器(107)与空气囊(102)通过管路连接，当燃料电池(108)所需的空气不足时，空气存储器(107)就会提供空气给燃料电池(108)，同时，空气囊(102)中的空气也会进入到空气存储器(107)中，并通过空气存储器(107)中的空气压缩机进行压缩。
10.根据权利要求1所述的一种含有氢气调节装置的平流层飞艇，其特征在于：水电解器(111)产生的氢气通过管道与空气囊(102)连接，将氢气输送到空气囊(102)中，使空气囊(102)中的空气成为富氧空气。
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