CN107108008A - 改进型飞艇 - Google Patents

Abstract

呈环形翼形状的飞艇被设计成使得该飞艇的侧面具有流线型的形状。在中央通路内有有效的推进单元，来自该推进单元的推力经导向以提供可操纵性。

Description

改进型飞艇

技术领域

本发明总体上涉及轻于空气的交通工具。

在一种形式中，本发明涉及一种提升装置，例如呈环形翼形状的飞艇，该飞艇具有伴随的结构特征、推进特征和空气动力学特征，以增强这样的用于相对较高速度操作的、更好的可操纵性和安全操作的装置。

在一个特定方面中，本发明适合于用作相对较小的‘无人驾驶’飞行器。

以下将方便地关于飞艇对本发明进行描述，然而应当理解的是，本发明并不仅限于这样的用途。

背景技术

在本说明书全文中，单数形式的‘发明人’一词的使用可以被认为是对于本发明的一个(单个)发明人或多于一个(多个)发明人的参引。

应当理解的是，包括了对于本说明书中的文档、装置、动作或知识的任何讨论，以解释本发明的背景。此外，贯穿本说明书的讨论是由本发明人的认识和/或本发明人对某些相关技术问题的识别而起。此外，关于诸如本说明书中的文档、装置、动作或知识的材料的任何讨论均包括在内，以根据本发明人的知识和经验来解释本发明的背景，并且因此，任何此类讨论都不应被视为承认任何材料构成现有技术基础的一部分、或在澳大利亚或其他地方在本文披露和权利要求的优先权日或之前的相关领域的公知常识。

不管早先承诺如何，在诸如旅游业的小众行业之外，飞艇还无法与现代重于空气的飞行器进行竞争。这是由于多个主要缺点。通过空中移动大型本体的能源成本使得货物运输不经济，而大的质量和相对较差的动力(相对于它们的大小而言)使得它们在空中和在地面上都操纵困难，从而导致频繁的事故。最后，它们的大尺寸和有限的承重能力在历史上导致了相对脆弱的构造，使它们非常容易受到风和风暴的伤害。

然而，在飞艇领域仍然积极研究，并且仍然为某些应用考虑使用它们。飞艇可以扮演高空平台的角色，并且它们提供‘自由升高’的事实继续吸引发明者寻找新型货物运输。此外，飞艇的大尺寸(在大多数方面是缺点)使它们成为运行太阳能功率的理想选择。

另外，特别是在20世纪50年代后期和60年代，对环形翼(或‘涵道风扇飞行平台’)的使用、特别是在法国‘Coléoptère’等垂直起降(VTOL)飞行器中的使用已经有意义重大的研究。然而，环的重量、交通工具的功率要求以及操纵该结构的难度意味着不管它们的初始承诺如何，与用于VTOL重于空气的飞行的直升机相比，飞艇都证明是不切实际的。

具有内部通道的飞艇

多种飞艇已经试图通过使用飞艇内的内部通道来克服缓慢和操纵灵敏性的问题，如：

乔丹(US 2475786，1949年)提出了常规飞艇内的长而细的管。该管由连续的‘文丘里(Venturi)管段’构成，多对反向旋转的螺旋桨在这些文丘里管段内运行。此外，乔丹使前部和后部具有‘角度可调管’段，以提供转向和控制。但是相继的“文丘里管”并不具有比直管更低的空气阻力，而是实际上将具有更高的空气阻力，并且许多反向旋转的螺旋桨同样被认为是非常低效的。总体而言，细中央管应是不切实际的，会具有非常高的空气阻力，并且需要其非常强大以支持足够的推力来移动飞艇。进一步地，在后的‘可调管’会是相对困难而且笨重的，而前部进入管会具有很少的效用，因为飞行器不能通过抽吸来转向。

Gembe(US 3185411，1965年)披露了一种刚性椭圆形飞艇，该飞艇(从头部观察)以矩形的中间区段分开，其中存在从前到后的薄管道。然而，‘高速飞艇’的整体空气动力学未得到优化。Gembe的披露涉及一种具有不寻常构造、特定尺寸并且带有定制的气体浮力系统的大型‘椭圆形’飞艇。长而薄的内部管道不被认为是空气动力学的，也没有考虑到飞艇和管道的整体流线型化。

Takahashi等人(US 5071090，1991年)披露了一种具有从前到后延伸的薄管道的飞艇，其中多个侧面隧道从中央管道延伸以用于精细的操纵控制。然而，与乔丹('786)和Gembe('411)类似，没有在整体的空气动力学效率方面进行尝试，而这些管道的非流线型形状将非常低效地驱使空气穿过管道。一般来说，将发动机布置在长细管道中不被认为是有效的。

坎贝尔(US 5645248，1997年)提出了一种具有大的内部隧道的球体，在该隧道内安装有含有螺旋桨和多个控制表面的六边形单元，其目的是创建在大风中保持驻停的可操纵的低阻力飞艇。然而，尽管坎贝尔努力减少阻力，但他的球体本质上是一种高阻力的形状，显著的湍流(和伴生阻力)是不可避免的。坎贝尔的发明只涉及一种球形飞艇，并且使用外部发动机进行操纵。

格林姆(WO 2001072588，2001年)披露了具有中央管道的另一“喷嘴形”飞艇。在许多方面，此设计被认为是不切实际的，因为没有考虑到气流分离或不同操作方案所需的整体形状的变化。

杜克(US 6766982，2004年)披露了一种具有从前到后的管道的飞艇(类似坎贝尔的'248)，风力涡轮机被布置在该管道内以产生能量。杜克披露了通过随风飘动来从飞艇产生能量，但是这种机构是不可能的，因为无动力的飞艇将以与风相同的速度飘动，并且将没有差动气流。

Motts(US 4,967,983，1990年)披露了具有相对较复杂的内部锥体和撑条安排的另一飞艇，并且披露了“电动推进(electrokinetic propulsion)”的特征。建造该飞艇被认为是不切实际的。

空气动力学效率

本发明人已经认识到，飞艇作为实用飞行器效率低下的原因是将大的卵形形状移动通过空气引起的非常高的阻力。这种阻力中的一些是由突出的结构或表面粗糙度引起的，而阻力的重要来源(特别是在较小的飞艇中)是由飞行器后面的‘形阻力’或湍流尾流引起的，这是交通工具的形状所固有的。

许多发明已经尝试通过主动气流控制来减少阻力，以使层流气流保持更久，并且消除气流分离的风险；例如通过在交通工具的后方吸入空气，但是在传统的飞艇中尝试这样做有很大的实际困难，因为飞艇可能需要大量的管道系统和泵。(例如Onda US 6305641，他通过管道吸入后面的空气，Colting US 6,966,523试图使用后螺旋桨来控制球形飞艇周围的空气流，或Herlik在US 8052082中他经由吸气系统吸入通过船的后表面的空气)。所有这些系统的根本困难在于，所需的管道、管、以及尤其是强劲的发动机的重量使得这样的系统在实际的飞艇中非常难以建造。

风力涡轮机

本发明人还认识到，与动力飞艇不同，具有内部管道的浮动系留风力涡轮机(floating tethered wind turbine)已经被证明是相当实用的，并且开始看到在积极用于能量产生。现有技术的良好示例是Amick(US 2008/0048453，2008年)，其披露了浮动漏斗，用于功率产生的风力涡轮机被布置在该浮动漏斗内。

在浮动风力涡轮机系留好时，护罩的流线型化与将空气通过漏斗引入中央叶片的能力相比远远不如其重要，并且不管流线型化的成效如何，护罩的蜷缩漏斗形状都可能在其后面具有显著的湍流阻力。同时，这种形状是出于给涡轮机和集中气流提供正向升力的目的而优化的，并且在作出一些流线型化的尝试时，由于装置的背部的陡直角度和修圆轮廓，装置的整体形状将在大风中具有显著的阻力。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进型飞艇。

本文所描述的实施例的另一目的是克服或减轻相关现有技术系统的上述缺点中的至少一个缺点，或至少提供对相关现有技术系统的有用替代。

在本文所描述的实施例的第一方面，提供了一种轻于空气的交通工具，该交通工具被建造成环形翼的形状，截面具有经修圆的前缘和相对尖锐的尾缘。在此翼的中央管道内布置有经优化的推进系统，该推进系统可以利用增加的气流以及飞艇包裹物的整体形状的‘涵道风扇’拓扑结构中的一者或两者的优点。发动机的这种中央位置既具有结构性优点又具有安全优点。进一步地，可以控制出口气流以产生‘导向推力(vectored thrust)’来操纵飞艇，任选地与其他控制表面相结合。

在本文所描述的实施例的另一方面，提供了一种具有本体部分和推进机构的飞艇，该本体部分包括空气可以流动穿过的相对环形的管道、并且还在截面中包括相对翼形的形状，并且该推进机构被提供在该管道内。

在本说明书中披露和/或在所附权利要求中限定了其他方面和优选形式，从而形成本发明的一部分描述。

本质上，本发明的实施例源于以下认识：尽管一些现有技术考虑到使用内部管道，但这样的现有技术并未考虑通过和围绕基本上是大的涵道风扇的实际气流。特别地，几乎没有考虑到在这样的风扇周围使用翼形截面的优点。本发明人已经认识到，当包覆在翼形截面中时(也就是说，促进层流的平滑形状，具有些许大致圆形的前端和锥形的尾端的泪珠形状，-经典的‘飞行器机翼’)，涵道风扇最有效地运行。没有这种形状，在管道内和外部都可能会经受很大的高阻力，这主要是由于气流紊流。进一步地，在现有技术中似乎没有考虑到入口、旋翼盘和出口之间的尺寸比，以及在不同环境下优化不同尺寸的飞行器所需的差异。

考虑到这一点，本发明人已经意识到，可以提供具有本体部分的飞艇，该本体部分具有空气可以流动穿过的相对环形的管道以及在截面中具有相对翼形、并且在管道内提供推进机构。

本发明提供的优点包括以下各项：

由于环形形状减小了阻力，特别是在较小的飞艇中。

·提高了发动机效率

·外部突出物数量显著减少，例如去除了外部安装的发动机，控制表面可以更小或完全去除，不需要外部牵索等。

·仪器包或甚至乘员舱可以结合到环形物的前缘的曲线中，这可以提供优秀的前向可视性(与其中它们必须突出以提供相当好的视野的传统设计相相比)。

·可以很容易地建造飞艇来使用导向推力，因为排气气流可以用嵌入在尾缘中的内部叶片、转向风扇或喷射器，或(特别是小型无人驾驶机)用环形物的后缘的总体变形来进行修改。

·封闭发动机使飞艇在所有尺度上明显更安全，因为没有暴露的螺旋桨。此外，大型飞艇的飞行中维护变得更安全，因为通过中央隧道容易且安全地接近发动机。

·发动机的噪声显著降低，因为包裹物包围了发动机。

·飞艇的可操纵性是通过使发动机的重量靠近升力中心来改进的，从而使飞艇更容易旋转，又防止了导致传统飞艇在动力下俯仰的离轴推力。

·具有大的进气的涵道风扇布局因为它集中了大量的空气而带来了额外的优点，从而允许发动机(如螺旋桨)就好像成比例地更大地起作用。这在较低的海拔高度带来了效率(大的缓慢的螺旋桨(所有事项等同)比小的快速的螺旋桨更有效)，并且还可以允许在其中稀薄的空气通常会使操作变得困难的较高海拔高度使用吸气发动机，如传统内燃机。

·飞艇的较大表面积(与同等升力的普通飞艇相比)为其收集太阳能功率提供了更大的表面。

·当用作无人驾驶飞行器时，飞艇是相对自然浮动的，并且如果失去控制的话总体上也是‘失效安全的’。与旋翼飞行器不同的是，飞艇对人的撞击不太可能造成伤害，因为没有动力，该装置就相当于是大的球囊。

·低压排气允许主动边界层控制，这是通过使得多个通道从排气通道延伸穿过飞艇的本体去到外部蒙皮来吸入少量空气。虽然这降低了总体功率，但在某些情况下，它可以减少蒙皮阻力和形状阻力两者，从而提供整体节能。

·与传统的飞艇相比，可能有新的和新颖的操纵。由于发动机的重量靠近升力中心，所以飞艇可以‘翻筋斗’，并且总体上更加可操纵，具有比具有外部发动机的传统飞艇更低的惯性矩。

·当作为小型无人驾驶机使用时，飞艇可以通过温和的吸力附着在诸如墙壁或天花板的平坦表面上，从而允许飞艇以低功率消耗保持稳定位置(例如作为相机平台)。

贯穿本说明书，词语‘飞艇’是指被适配成在空中行进或操纵的已知为‘轻于空气’的装置的东西。例如，该装置可以是具有推进和转向系统的轻于空气的飞行器，和/或是可操作以在空气中移动或行进的装置。在一种形式中，根据本发明的实施例的飞艇可以是可以制造成在空气中行进的管状或环形的装置。

贯穿本说明书，词语‘翼’是指其设计将寻求使得阻力最小化的、和/或具有促进层流气流和/或减少湍流的平滑形状的低阻力物体。翼的示例(不限于此)包括具有如同经修圆的前缘和锥形的尾缘的特征、并且将具有相对平滑的曲线以使阻力最小化的物体。

本发明实施例的进一步适用性范围将从以下所给出的详细描述变得清楚。然而，应当理解，详细说明和具体实例在指明本发明的多个优选实施例时仅通过说明给出，因为在本文披露内容的精神和范围内的各种改变和修改对本领域的技术人员而言将从这个详细说明变清楚。

附图说明

参考以下结合附图对实施例进行的描述，相关领域的技术人员可以更好地理解本申请的优选和其他实施例的另外的披露、目的、优点和方面，附图仅以说明的方式给出并且因此不限制本文的披露内容，并且在附图中：

图1展示了属类环形翼飞艇的概况。

图101展示了环形翼设计的侧面轮廓

图102展示了具有内部发动机的环形翼的后部。

图103展示了具有两个反向旋转发动机以使气流平滑的环形环。

图104展示了飞艇的截面。

图2展示了小型、中型和大型飞艇配置的示例

图201展示了用于在高雷诺数(Reynolds number)下操作的飞艇配置(例如大型飞艇)的示例。在这些条件下，边界层分离和湍流对于中央管道而言是严重问题，这在很大程度上等同于维持发动机效率。

图202展示了用于大型无人驾驶飞艇或平流层飞艇可能遇到的中等雷诺数范围的设计的示例。涵道风扇发动机可以通过使得排气流扩张来利用较低的雷诺数，增加扩散比。

图203展示了用于小型无人驾驶机可能遇到的低雷诺数的设计的示例。在这种情况下，经扩张的排气流允许最佳的动量传递给排气气流，并且发动机效率可以是相同尺寸的未加护套的螺旋桨的效率的两倍以上。

图3展示了由多个可热封单元形成的小型相对‘非刚性’飞艇的示例

图301展示了由双层可热封气体不可渗透塑料(例如EVOH或金属化尼龙)构成的非刚性飞艇的示例。黑线被热密封在一起以形成气体单元，并且形状是沿着虚线(303)从基部切出、并且在顶部和底部进行修剪。

这些单元沿着共同的垂直线(302)保持连结。然后将切割接缝(303)连结到它们相邻的接缝上，然后左侧(304)在(通过密封到每个单元中的阀，未示出)充气之前被连结到右侧(305)。

图4展示了相对半刚性的飞艇的示例

可以通过创建刚性的内部管道(401)并且然后附接一系列管状球囊(402)或单个大型包裹物(未示出)来构造半刚性设计，从而创建半刚性的、任选地可膨胀的外蒙皮，该外包裹物具有作为船舶的‘龙骨’的固体支撑管道以附接发动机和设备。

图5展示了相对刚性的飞艇的示例

刚性飞艇可以沿着传统的线路构造，具有刚性加强件以对包裹物赋予限定的形状。作为这种构造的示例，飞艇可以具有由一系列圆圈(506)联结成纵向长度而产生的内部管道，其中另外的支柱(503)从中央管道圆圈辐射到限定外表面的形状的一组构件(504)。可以通过用多个构件(505)撑紧前缘来对前缘表面提供额外的刚性，构件(505)进而由多个梁(507)支撑。

图6展示了边界层控制的示例

环形翼飞艇将空气吸入管道发动机(603)，该管道发动机将空气排出到后部(604)，添加速度/动量。这导致区域(604)中的显著压力下降，从而允许我们将多个小管(602)延伸到飞艇的外部表面。这些小管可以吸入少量的空气来帮助外部空气流(605)保持‘附着’到飞艇的本体，从而延迟或防止形成湍流尾流，并且避免这种尾流产生的显著的阻力。虽然为了清楚起见，仅示出了两个管，但所希望的是大量的管，并且这些管可以‘呈扇形展开(fan out)’，使得发动机尾流中的单个出口对应于飞艇外部的许多小入口或甚至连续的环入口。

具体实施方式

飞艇的速度受到克服飞艇的阻力所需的功率的限制。一般来说，所需的功率与速度的立方乘以飞艇的阻力成比例。出于此原因，在实际飞艇中尽可能地减少阻力是非常有利的。本发明试图显著降低阻力，同时还提供功率和处理方面的改进。

空气动力学效率

本发明通过给予飞艇流线型截面以减少阻力来减少飞艇的阻力。传统的低阻力翼形状(具有经修圆的前缘和尖锐的后缘)在通用航空中已经用于亚音速翼、螺旋桨和支柱，并且在诸如使用了各种‘NACA翼系列’的目录中进行了描述。由于通常不需要产生升力，环形物的截面一般将是对称翼的形状，没有明显的弧高。(尽管如果需要，可以将环形翼制成提升本体，以一定角度飞行或改变环的顶部、底部和侧面的弧高)。通过将飞艇制成长的‘飞翼’可以产生类似的效果，但是这样的形状将具有许多缺点(它将具有高的表面积体积比(surface area to volume)、难以控制、并且在地面上将不方便进行处理)。

然而，通过将这样的翼包裹成环形翼，我们实现了许多优点。表面积体积比得到改善(虽然仍比传统的飞艇还要差得多)，并且产生了非常适合于安装发动机的内腔。

环形翼的整体形状显著地减少了飞艇的湍流尾流，同时后管道的形状可以被设计成使得在所希望的操作范围上匹配最佳效率的发动机出口流(例如，对于小型低空飞行飞艇而言范围较宽，或者对于较大的飞艇而言范围较窄)。

与大体上中央的发动机以及导向推力和/或较小的控制表面组合、以及结合到船体中的仪器和有效载荷相结合，环形翼形状进一步显著地减少了外部发动机支架和大鳍片的寄生阻力。此外，所述形状使得实际在较高海拔下飞行，通过减少总体阻力，以及通过将气流集中到发动机，从而允许空气呼吸发动机在更高海拔下运行。

应指出的是，有时有利的是偏离‘理想’翼的精确形状，特别是具有较小非刚性模型，其中传统翼的尖锐后缘可能构造困难或是过重的。这可能需要对后缘进行‘修圆’(并且接受相应程度的湍流阻力)。

发动机优点

将发动机布置在环形翼内具有许多优点。

中央位置使飞艇的角力矩最小化，使其更容易操纵。使发动机处于或靠近飞艇的轴线允许发动机的推力通过飞艇的中心，从而防止了导致传统飞艇取决于发动机功率而改变姿态的偏移力。

中央布置还降低了飞艇的重量要求，因为不需要外部支座来承担发动机在包裹物外侧上的重量。此外，发动机的推力可以通过中央管道(其通过在刚性或半刚性壳体中的加强或通过在非刚性壳体中的多个气袋的压力而制成刚性)而更均匀地分布到飞艇的其余部分。

进入发动机入口的空气浓度在以下两种方式中是有用的：首先，允许空气呼吸发动机的更有效的操作，因为一旦飞艇相对于空气移动，空气一般将在入口中更致密。这种‘冲压空气’效应类似于汽车发动机中的机械增压器或涡轮增压器，允许将更致密的燃料空气混合物供给到发动机。其次，增加的气流对于发动机螺旋桨更有效，并且允许给定尺寸的螺旋桨移动更大质量的空气。

此外，与重于空气的飞行器相比，飞艇相对较慢的空速允许使用更大、更慢、但更有效率的螺旋桨从而带来额外的节能。燃烧驱动的发动机和电/太阳能供能的发动机共享这些优点，并且使飞行器比传统飞艇对于内燃发动机和太阳能而言效率更高。

然而，将发动机安装在环形翼中的主要优点来自于‘涵道风扇’或‘护罩风扇’的效果。虽然在文献中众所周知，护罩可以将给定尺寸的螺旋桨的效率提高一倍或更多倍，但护罩的尺寸和重量一般使得这样的布置不切实际(尽管它们可在小型旋翼飞行器和偶尔在实验飞行器上看到)。然而，在环形翼飞艇的情况下，护罩是‘免费’得来的，因为它用作飞艇的提升本体。

管道效率

对于小型UAV旋翼飞行器而言，涵道风扇已经普及，然而对于需要使护罩的总体重量最小化、以及在重于空气的飞行器上使用偏角度(例如，涵道风扇发动机通常在小型无人机中有效地横向飞行)，所使用的设计受到很大的影响。在飞艇的情况下，我们具有相反的问题：我们希望使护罩的体积尽可能大，同时使总体阻力最小化并且在管道内部和外部防止或最小化流动分离和湍流。进一步地，管道是以最佳的‘正面’构型来使用的，而不是以如小型无人驾驶旋翼飞行器中使用的与气流成显著的角度来使用(其中在低速下，扁平本体阻力可以占到阻力的高达95％，因为护罩被横向地推动穿过空气)。

已经考虑到在管道内具有发动机的飞艇的其他发明忽略了涵道风扇设计和包封体的截面翼形状的细节，并且通常指定长而薄的直管或前后相等的漏斗形状。

然而，有许多工程参数必须平衡，并且总体上(没有主动地改变飞行中的飞艇的形状)，有必要选择最佳巡航速度和优化飞艇的长度和形状二者以及入口半径、旋翼盘和出口半径之间的比率。

小型飞艇与大型飞艇相比，这些数字相差甚远。作为示例，以一半声速行进的大型飞艇、入口和出口直径大约是旋翼盘(如上文Grimm的‘588中所述)的直径的两倍、呈现严重问题，因为四倍浓度的空气进入前部引起飞艇内的超音速流，随后是出口通道中显著的流动分离，并且实际上所呈现的这种飞艇是非常不切实际的。

一般地，在几乎所有实际的尺度和速度下都希望大的经修圆入口，而旋翼盘和出口通道的尺寸(以及其相对尺寸的扩散比)必须根据飞艇的尺寸和速度进行调整。限制主要是围绕旋翼盘下游的流分离，这严重依赖于雷诺数。一般地，小型低速飞艇可以受益于大的扩散器比例(例如，经扩张的出口通道)，而大型或更高速度的飞艇将需要将该比率缩窄到接近1的极限(例如，用于非常大的高速飞艇的圆柱形出口)。(见图2)

即使在笔直流出的极限情况下，仍然存在功率优点，因为较大的入口和减少的螺旋桨尖端湍流仍然提供更有效的操作，并且流出量仍然大于开放螺旋桨其中(因为其与周围空气的压力相等)气流直径比旋翼盘的尺寸大大收缩的天然喷流。

在设计中必须考虑的其他原则是：

-盘加载：低的盘加载(例如，由螺旋桨的给定区域‘推动’的空气量)是更有效的，因此设计偏向于大管道中的大旋翼。

-入口尺寸允许旋翼有效地起作用，就好像它大得多(例如理论上是飞艇入口的尺寸)-所以大的入口是有利的。

-入口尺寸不应太大以至于在管道内有超音速流的风险，并且理想地应避免超音速螺旋桨尖端效应。

-入口尺寸与旋翼盘的比例不能太大而‘阻塞’流动并且产生显著的背压，这将抵消整个环形翼轮廓的优点。

-比例较大的管道和旋翼的优点必须与螺旋桨增加的重量、飞艇增加的润湿面积、以及飞艇体积的相应减少相平衡。

-工程学直觉一般将旋翼盘布置在管道的最窄部分，然而当考虑到艇的整体阻力时这并不总是最佳位置。在延长内部管道中的层流长度的同时，使艇的外部的总体曲率(以及因此阻力)最小化可以导致旋翼盘更靠后地布置在管道中、在管道已经开始张开之后。类似地，管道的排气体积的形状可以偏离经典的2D翼形状(并且变平)，以便使下游湍流最小化。

类似地，出于稳定性和总体重量平衡的原因，发动机可能需要偏离管道的最窄部分。

安全性

阻碍广泛使用商业无人驾驶机(例如四轴飞行器和其他重于空气的远程飞行器)的重大问题是关心安全性，特别是当这些无人驾驶机靠近人类运行时-例如，在体育赛事中由无人机与比赛者的碰撞而导致的伤害。这些情况可能是严重的，因为许多无人驾驶机的旋翼通常是不受保护的，或者即使被罩住但仍然可能打到手指和松散的衣服。无人驾驶机越大，风险就越大，因为越大的无人驾驶机的迅速下降或行进本身的实际影响可能会造成重大的伤害。

然而，本发明有效地将发动机隐藏在一个大的气袋内，使本发明的小型无人驾驶机版本靠近人时使用安全。如果希望进一步的安全措施，则可以用网或其他障碍物额外保护管道开口，以防止四肢或其他物体与发动机接触。

另外，由于飞艇一般是自然漂浮的，所以如果它失去动力，则飞艇将简单地漂移并最终放气，而不是坠落并造成伤害。

在较大的交通工具上，发动机的中央布置使得飞行中的维护和修理更具实践性，并且防止了外部发动机在地面处理期间与建筑物碰撞的意外损坏。

结构性优点

将发动机定位在或靠近于重心(或更准确地说，‘升力中心’)具有许多机械优点。与传统的飞艇不同，一个或多个发动机不需要在飞机侧面上的明显支座，并且发动机的推力不会导致飞艇改变姿态。使发动机内化还允许我们免除或最小化诸如发动机支座和牵索的高阻力结构，并且使得更容易将发动机的推力更均匀地分配给飞艇的本体。

所述设计还解决了飞艇控制表面的问题。传统上，飞艇控制表面(飞艇背部的鳍片)必须制造得非常大，部分是因为鳍片的基部通常是在由飞艇椭圆形形状的背部的‘冲洗’引起的湍流空气内。传统飞艇的控制表面必须做大，部分是为了延伸出去以达到其中控制表面可以更有效的‘清洁’空气。

然而，气体包裹物的环形翼形状使在飞行器后方湍流冲刷和距‘清洁空气’的距离最小化，并且因此可以使控制表面制造得较小，从而降低成本和整体阻力。进一步地，使用推力导向(其也可能还需要管道内部的控制表面，这取决于所使用的方法)还减少了所需控制表面的总体表面积，从而同样减小了阻力。

总之，环形翼形状具有与传统飞艇相比明显更大的‘湿润面积’，并且因此具有更高的蒙皮摩擦阻力-原型机的润湿面积通常比相同体积的相当的传统‘足球’形状大25％-33％。然而，通过显著减少形状阻力并消除或大大减少发动机、线路、舱室和控制表面的寄生阻力就不仅弥补了这种额外的阻力而且更好。

可操纵性

发动机的中央布置减少飞艇的角力矩。结合从飞艇的后部向对推力进行导向的能力，或者使用安装在尾缘的风扇，这样允许飞艇明显更容易地转动，包括在低速下。这对于小型无人驾驶飞艇而言尤为重要，并且提供了一种简单而成本有效的手段来控制小型艇，而无需额外的控制表面、额外的转向发动机等。

太阳能

如所讨论的，环形翼飞艇的设计具有比传统的飞艇更大的表面-积体积。

尽管具有更大的表面，飞艇还具有一个直接的优势，这是在于飞艇为太阳能收集提供了优异的平台(一般在现有技术中经常对飞艇太阳能收集有所描述)。鉴于更有效的飞艇的降低的功率需求，增大的收集面积允许实现太阳能飞艇的实际运行。

边界层控制

如先前所提及的，飞艇的关键要求是减少阻力。环形翼形状通过防止或延迟边界层分离以及与传统飞艇同样的伴随的湍流尾流来显著地减小阻力。

许多其他发明已经尝试通过以下方式来改善飞艇阻力，即，通过‘主动’边界层控制在飞艇后部吸入空气以保持气流附着。(例如，Goldshmeid.的集成船体设计、边界层控制以及潜体的推进，第二次推进联合专家会议，科罗拉多泉市，科罗拉多州，1966年)。

然而，由于设备的额外重量和复杂的流动几何形状，这样的发明通常未能实现实际的益处。然而，通过环形翼飞艇，出口管中的空流与周围空气相比压力明显更低，并且可以简单地通过朝向飞艇的背部制成多个小的开口(图6)来吸入少量的空气(并且因此辅助边界层附着或至少延迟分离)。由于这不需要额外的设备和重量(不同于管或管道的重量)，当飞艇在有益处的条件下(例如在否则会有显著的分离和尾流紊流的速度和海拔)运行时，可以实际使用此方法来减少阻力。

操作构思

本发明设想了三种广泛的操作模式。

第一操作构思是小型轻型无人驾驶飞艇，总体上长度小于2.5m并且直径小于1m，有效载荷小于500g，用作玩具或安全轻型无人驾驶机。飞艇将具有比旋翼飞行器无人驾驶机更久的持久力，特别是在轻风或无风条件下，但与其他无人驾驶飞行器类型相比具有相对较慢的速度。无人驾驶机将使用简化的转向系统，该转向系统组合了一个或多个导向推力元件、多个转向风扇、重量传递件和/或传统鳍片，并且通常是非刚性构造。在某些情况下，无人驾驶机可以使用发动机的吸力‘粘’到表面(包括地面和墙壁)上，以通过鼻部或尾部来锚定自身。

第二操作构思是具有刚性或半刚性构造的标准载人飞艇，该飞艇具有前舱、大体中央的发动机、以及根据平衡要求分布的燃料、电池和其他设备。

第三操作构思是具有半刚性构造的高空飞艇，其中央管道由诸如碳纤维的轻质材料制成来容纳发动机，多个柔性管状球囊被附接到刚性管道上。当飞艇上升到约50,000英尺(其中空气压力为地面的空气压力的～10％)时，飞艇将能够保持其大体形状，并且刚性的中央管道将允许实现有效的发动机运行和飞艇的总体控制。

第一实施例

本发明的第一实施例涉及一种具有大的中央管道的流线型飞艇，其被成形为环形翼的形式以使总体阻力最小化。

图104是侧视图，以截面展示了总体形状。飞艇的‘侧面’被选定为具有翼的流线型截面。

在管道内是发动机，例如螺旋桨。螺旋桨在此配置中具有许多优点，因为螺旋桨由于在‘护罩’内运行尖端湍流减少而可以更有效地运行，并且受益于大的在前开口的增加的气流。另外，由于飞艇与飞机相比一般以更低的速度运行，所以可以使用更大、更慢、但更有效率的螺旋桨，并且可以设计成沿其整个长度提供推力(与靠近其尖端变平来减少湍流的传统螺旋桨相比)。

最后，飞艇的前部将空气集中到中央室，从而提供更高的在前空气压力和进一步的发动机效率(包括用于内燃发动机的更致密的空气)。

刚性、半刚性和非刚性实施例

制造稳定的包裹物形状存在一些挑战，因为这种类型的长圆形形状不能简单地由橡胶制成并充气，因为内部管道将随着飞艇膨胀成近似球体而关闭。此外，发动机下游的通道必须应对由于藉由发动机加速的空气流动引起的显著压降。可以使用许多方法来保持飞艇和中央通道的形状，并且哪种方法合适在很大程度上取决于尺寸、应力、成本和飞艇所旨在的运行环境。

非刚性设计

适合用于呈相对轻量状态的小型无人驾驶机(诸如用在办公楼内、商业展示内或用作玩具)的非刚性设计可以是通过由多个不可拉伸的、可充气的纵向管或单元构建飞艇来产生。这些单元可以从通常使用的任何常见的可热封不可渗透织物中压出，包括EVOH、聚氨酯和镀铝的尼龙(见图3)。然后将这些单元彼此附接以创建所希望的翼形状的紧密近似，内部管道由于单元侧壁的压力而保持打开。

在一个具体实施例中，将六个这样的单元从同一片材中压出，并且形状被稍微调整以包括连结单元对的笔直部分。所述形状的其余部分沿着共同接缝线连结(通常用热带)，并且在创建环形翼的第一个和最后一个单元之间进行最终连结。

在适用于小型轻型无人驾驶机和玩具的此实施例中，内部管道中存在不规则性(由单元的‘凸起’引起)，这需要用于螺旋桨的轻质内部护罩，该内部护罩既起到使气流成形的作用又保护管道的脆弱织物不受螺旋桨尖端影响。这种内部护罩可以由任何轻质材料制成，但是聚苯乙烯和轻塑料二者已被证明是实用的。

可以通过外部鳍片、嵌入尾缘的风扇、或通过导向推力来产生方向控制。在最简单的形式中，导向推力是通过用牵索在中央管道的出口环的织物上牵拉从而因此使得飞艇的出口‘喷嘴’变形、或者通过该方法和传统鳍片的组合而产生的。(在小型无人驾驶机中，姿态控制也可以通过重量传递来实现，例如通过沿着轻质塑料轨道移动电池组)。

半刚性设计

适用于较大的无人驾驶机和较大的风力条件以及可能的高海拔使用的半刚性设计可以是通过加强内部管道以创建用于飞艇的中空‘脊柱’，从中空‘脊柱’可以附接多个气袋(可能是管状的，如以上非刚性示例)来产生。(见图4)

在此实施例中，气袋本身可以由更柔性的材料制成，并且随着交通工具上升和下降而可以膨胀和收缩，而不损害中央管道和发动机的形状和效率。

可替代地，可以使用单个大型可充气包裹物，以脊柱为中心，并且显著减少包裹物所需的织物量。

刚性增大的中央脊柱可以延伸成产生飞艇的前部的整流罩，以改善飞艇的空气动力学，并且减少管欠充气时的‘颤动’(例如，在达到飞行海拔高度之前，发送高空飞行飞艇的早期阶段)

刚性设计

对于大型飞艇或在强风条件下运行的飞艇，可以使用传统的刚性结构，以支撑构件网格对外部包裹物和内部管道提供形状。(见图5)

必须将飞艇的支撑‘骨架’建造成考虑到内部管道的排气区段中发现的低压力。

必须考虑到飞艇部件的总体平衡；一般，舱室将是在前的，发动机居中，并且燃料、电池和设备在后部。然而，可以移动这些元件的位置以在设计中提供整体平衡，或者在不同设计方案下优化气流(例如，对于小型低空飞行的飞艇而言，翼的形状和发动机的位置与大型高空飞行的飞艇相比是不同的)。

刚性设计也可以具有在较小的无人驾驶飞艇中的用途，其中支撑构件可由轻量塑料制成，如聚苯乙烯或气凝胶或碳纤维网。成形为具有多个切出内部区段的翼的聚苯乙烯片材可以与上述非刚性或半刚性设计相组合，以赋予这些设计额外的稳定性。

尽管已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但应当理解的是本发明能够进一步修改。本申请旨在涵盖本发明的总体上遵循本发明的原理的任何变体用途或适配，并且将这样的与本披露的不同包括成落入本发明所属领域内已知或惯用的实践中，并且可以应用于以上阐述的本质特征。

因为本发明可以以多种形式实施而不脱离本发明本质特征的精神，应当理解的是，除非另有说明，上述实施例并不限制本发明而是应当在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内广义地具有解释。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而不是限制性的。

多种不同修改和等效安排旨在包括在本发明和所附权利要求的精神和范围内。因此，具体实施例将被理解为说明可以实践本发明的原理的许多方式。在下面的权利要求中，装置加功能条款旨在覆盖作为执行限定功能的结构，并且不仅是结构等效物，而且还是等效结构。例如，尽管钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面将木制零件固定在一起，但在紧固木质零件的环境中钉子和螺钉是等效结构。

当在本说明书中使用时，“包括”和“包含”被用于指定所陈述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征、整体、步骤、部件或其群组。因此，除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语‘包括’、‘包含’等将以与排他或详尽的意义相反的包容性的意义、即在“包括但不限于”的意义上来进行解释。

Claims (23)

1.一种飞艇，该飞艇被适配成具有本体部分的轻于空气的装置，该本体部分包括空气可以流动穿过的相对环形的管道、并且还在截面中包括相对翼形的形状。

2.根据权利要求1所述的飞艇，还包括推进机构，该推进机构被提供在该管道内。

3.根据权利要求2所述的飞艇，其中，该推进机构是发动机，该发动机利用与该管道的壁相对紧密配合的螺旋桨来减少紊流并且提高效率。

4.根据权利要求3所述的飞艇，其中，该发动机利用反向旋转的螺旋桨来减小扭矩并且使气流平滑。

5.根据权利要求3或4所述的飞艇，还包括转向机构，该转向机构被适配成引导来自该发动机的出口气流以出于使所述飞行器转向或辅助所述飞行器的转向的目的来提供导向推力。

6.根据权利要求5所述的飞艇，其中，使用主动重量控制来调整所述艇的俯仰姿态，并且所述马达、燃料、电池或某些其他形式的压载物被向前或向后移位以使所述艇向下或向上俯仰运动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的飞艇，其中，该出口管道的形状以及该发动机‘旋翼盘’与该出口的扩散比是根据雷诺数范围来优化的。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的飞艇，其中，该螺旋桨由内燃发动机供能。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的飞艇，其中，该螺旋桨由电动发动机供能。

10.根据权利要求9所述的飞艇，其中，该螺旋桨由电动发动机供能，其中一些或全部电功率是由太阳能产生的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的飞艇，其中，该本体部分包括由双层可热封的气体不可渗透材料形成的一个或多个单元。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的飞艇，其中，在截面中，该本体部分是由一个或多个翼形状的单元形成的。

13.根据权利要求12所述的飞艇，其中，该本体部分被封闭在限定该本体部分的形状的包裹物中。

14.根据权利要求11所述的飞艇，其中，该环形翼形状由六个管状单元制成。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的飞艇，其中，该管道包括在中央成形的中空脊柱。

16.根据权利要求14所述的飞艇，其中，该环形翼是由附接到该在中央成形的中空脊柱上的多个可膨胀管状球囊构造成的，其任选地被封闭在提供进一步形状的柔性外部包裹物内。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的飞艇，其中，该本体部分完全或部分地是由限定该飞艇的形状并为设备和/或乘员提供支撑的刚性框架构造成的。

18.根据权利要求17所述的飞艇，其中，该本体部分是由适合于小型无人驾驶飞行器的轻量材料，诸如聚苯乙烯，制成的一系列成形面板构建成的。

19.根据权利要求17或18所述的飞艇，其中，该飞艇的支撑结构是由适合于大型飞艇刚度以及对乘员和设备模块加以支撑的金属、碳纤维网或强塑料构件构建成的。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的飞艇，还包括一个或多个通风孔，该一个或多个通风孔被适配成通过开设多个通道去到该中央流出管道的较低压力来对外部气流提供一定程度的边界层控制。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的飞艇，其中，该管道的入口和/或出口中的任一者或/或两者的大小在飞行期间是可动态地调整以改变飞行特性的。

22.多个根据权利要求2至21中任一项所述的飞艇的组合，并且其中可操纵性是通过来自各推进机构的差动推力来实现的。

23.一种配置飞艇的方法，该方法包括以下步骤：

提供本体部分和推进机构，

在该本体部分中提供空气可以流动穿过的相对环形的管道，该本体部分在截面中具有相对翼形的形状，并且

将该推进机构提供在该管道内。