CN109219397A - 用于轻于空气的高海拔平台的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种节能且轻于空气的高海拔平台(HAP)，其允许在约50,000‑80,000英尺的高海拔处持续的驻位保持很长时间段。HAP包括可以具有环面的拓扑的气动流线型本体。本体可以用轻于空气的气体充气，其量足以提供到高海拔的升力。HAP具有延伸通过增压本体的管道，其通过管道将流转移并减少气动阻力。HAP可以包括位于管道中的一个或多个螺旋桨，用于提供推力并维持HAP相对于地面的给定位置。还可以存在控制系统、太阳能收集系统、能量存储系统和/或任何各种有效载荷，用于完成各种任务，诸如通信和/或态势感知应用。

Description

用于轻于空气的高海拔平台的系统和方法
通过引用并入任何相关申请
本申请是2016年5月17日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR LIGHTER-THAN-AIR HIGH ALTITUDE PLATFORMS”的美国专利申请号15/157,132的国际申请，用于所有目的，该申请的公开内容在此通过引用将其全部内容并入本文，并构成本说明书的一部分。
背景
技术领域
本发明涉及航空器。具体地，公开了用于轻于空气的高海拔(高空，highaltitude)平台的特征。
相关技术的描述
位于地球表面上方感兴趣的位置的长期资产(长寿命的贵重器材)已被证明对于很多应用具有很大价值，但迄今为止，这只对远高于地球的大气层的轨道中的卫星才是实用的。已经进行了多次尝试去开发这种类型的用于在地球的大气层内使用的资产，但是提供足够的能量来克服风引起的阻力(拖曳)的需要已经妨碍适度尺寸的飞行器的使用，并已经导致了具有非常大的动力产生能力的巨型半刚性飞船的开发。这些飞船与大型载人飞机一样昂贵，并且它们的物流对用户构成严重的障碍。因此，目前没有部署该类型的资产。已经部署了自由飞行(无动力)轻于空气的飞行器的舰队来展示用于通信目的的区域覆盖(范围)，但这需要大群适度尺寸的气球，其在高海拔处根据盛行风在固定纬度处环绕地球行驶。挑战依然是展示实用的且价格合理的平台，该平台是足够地气动(空气动力)和能量有效的，以完成长时间段的驻位保持(在同一纬度和经度处停留在(高)空中)。
发明内容
本文公开的实施方式各自具有若干方面，没有单个的一个方面单独负责本公开的期望属性。在不限制本公开的范围的情况下，现在将简要讨论其更突出的特征。在考虑该讨论之后，并且特别是在阅读题为“具体实施方式”的部分之后，人们将理解本文描述的实施方式的特征如何提供优于用于高海拔平台的现有系统和方法的优点。
该开发涉及一种能量有效的轻于空气的高海拔平台(HAP)，其允许持续的驻位保持，即相对于地面保持静止，具有一个或多个有效载荷处于非常高的海拔并且持续较长的时间段。HAP允许支持一系列通信和监视功能。即使存在地基干扰机，在这些功能中也是全球定位系统(GPS)信息的来源，因为来自HAP递送的有效载荷的信号可以比位于远远更高的海拔处的现有卫星的信号强数千倍。其他可能的功能包括但不限于一系列通信和通信收集有效载荷。HAP可以与地球表面上跨越数百英里的区域进行通信。
HAP包括气动流线型的本体，其减少HAP上的阻力。该本体可以具有环面的拓扑。本体可以使用轻于空气的气体(诸如氢气或氦气)充气，并且其量足够以提供升力，使得HAP可以到达并维持非常高的海拔。可以用这种气体对本体增压。内部压力可以小于发射处的环境大气压力，但大于在这些高的海拔处的环境压力。这种海拔可以包括海平面上方例如50,000-80,000英尺的高度。管道可以延伸穿过HAP的本体并且在HAP上提供进一步减小的阻力。HAP能够操纵至并维持在地球的表面上方的任何期望的位置数天、数周或甚至数月，在适合用于通信和/或态势感知目的的大气层内的海拔处。HAP具有延伸穿过增压本体的管道。管道可以在中心延伸穿过本体。管道可以具有第一向前开口，该第一向前开口面向并且对齐大致平行于大气层中自由流(自由流型流)的方向。这种对齐可以通过将自由流的一部分转移到管道中并且通过管道来影响例如减小在HAP上的阻力，使得转移的流离开管道退出第二向后开口。HAP可以包括位于管道中例如在管道的向前部分中的一个或多个螺旋桨，以提供推进力并维持HAP相对于地面的给定位置。在不增加螺旋桨(一个或多个)的情况下，管道独自可以导致HAP上的总阻力的净增加，但螺旋桨(一个或多个)的包含物和管道中相关联的压力改变可以减少HAP上有效的总阻力。HAP还可以包括：控制系统，以提供飞行器的稳定的可预测的运动；太阳能收集系统，以给推进、控制和/或有效载荷系统提供能量；能量存储系统，以允许跨越昼夜循环的连续操作；和/或各种有效载荷中的任何以实现所期望的性能，诸如通信和/或态势感知应用。
在一方面，描述了一种高海拔平台。该平台包含可充气本体、管道和螺旋桨。可充气本体被配置为在其中含有有效量的气体以提供升力，使得运载器可以达到50,000英尺的最小海拔，其中，当充气时，本体具有在本体的相对端处的具有第一开口的前部和具有第二开口的后部，其中，从前部到后部的距离限定了充气的本体长度，并且其中，充气的本体长度大于充气的本体的最大宽度。管道穿过本体设置并具有多个截面面积，该管道具有至少从本体前部的第一开口处或其附近延伸到本体的后部处的第二开口或其附近的长度，其中多个截面面积从第一开口到管道的中间区域的向前部分减小，其中中间区域位于与第二开口相比更靠近第一开口，并且其中多个截面面积从中间区域的向后部分到第二开口增加。螺旋桨定位在管道中在第一开口和第二开口之间。
在一些实施方式中，当充气时，本体具有约0.002的表面面积阻力系数在自由流中，其具有相对于本体约为二十米每秒(m/s)的速度并且具有约4.8x106的雷诺数。
在一些实施方式中，在具有相对于本体约为二十米每秒(m/s)速度的自由流中，高海拔平台上的阻力在约65,000英尺的海拔处是小于约14磅(l bs)。在一些实施方式中，高海拔平台具有至少约410kg的提升能力。
在一些实施方式中，高海拔平台还包含太阳能面板，该太阳能面板与运载器耦接，并且配置为与电能存储器结合以向运载器提供电力。在一些实施方式中，高海拔平台还包含控制表面，该控制表面配置成使运载器取向使得前部面向自由流。在一些实施方式中，高海拔平台还包含与运载器耦接的有效载荷并且包含通信系统。
在一些实施方式中，螺旋桨定位在管道中在第一开口和第二开口之间，在位于距中间区域的向前部分约管道长度的10％或更少的距离处的位置处。
在另一方面，描述了一种高海拔平台。该高海拔平台包含可充气本体、管道和第一螺旋桨。可充气本体具有前部和位于距前部距离L的后部，本体被配置为在其中含有至少3,000立方米的浮力气体以提供升力，浮力气体选自氢气、氦气或其混合物，并且当充气时，本体在距前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度。管道从前部到后部延伸穿过本体，并且包含第一开口，在本体的前部处具有第一截面面积；第二开口，在本体的后部处具有第二截面面积；以及中间区域，具有位于比第二开口更靠近第一开口的向前部分，其中中间区域具有等于第三截面面积的最小截面面积，并且第一截面面积和第二截面面积每个都大于第三截面面积。第一螺旋桨定位在管道的中间区域中。
在一些实施方式中，高海拔平台还包含从第一截面面积到第三截面面积的多个收敛截面面积，并且多个收敛截面面积从第一截面面积至第三截面面积连续减小。在一些实施方式中，高海拔平台还包含从第三截面面积到第二截面面积的多个发散截面面积，并且多个发散截面面积从第三截面面积至第二截面面积连续增加。在一些实施方式中，管道的发散角从中间区域到第二开口至少约为1.3度。在一些实施方式中，高海拔平台还包含太阳能面板，该太阳能面板与运载器耦接，并且配置成与电能存储器结合以向运载器提供电力。在一些实施方式中，高海拔平台还包含控制表面，该控制表面被配置成使运载器取向使得前部面向自由流。在一些实施方式中，高海拔平台还包含与运载器耦接的有效载荷，并且包含通信和/或监视系统。在一些实施方式中，高海拔平台还包括位于管道中在第一螺旋桨附近的一个或多个附加螺旋桨，并且第一螺旋桨和一个或多个附加螺旋桨被配置为使得第一螺旋桨和一个或多个附加螺旋桨的总角动量在操作时在平台上产生净扭矩，该净扭矩在平台的控制系统的控制范围内。
在一些实施方式中，本体由具有小于约0.1英寸的平均厚度的薄壁结构形成。
在另一方面，描述了一种使用轻于空气的飞行器提供持续高海拔飞行的方法。该方法包含用至少3,000立方米的轻于空气的气体对薄壁本体进行充气，其中充气的本体具有前部和位于距前部距离L的后部，并且当充气时，该本体在距前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度，并且在其中具有一个或多个螺旋桨的管道从前部到后部延伸穿过本体。该方法还包含将飞行器飞行到至少50,000英尺的高度并使飞行器取向使得前部面向自由流。
在一些实施方式中，方法还包含在自由流中操作飞行器，使得飞行器在至少50,000英尺的高度处相对于地面大体是静止的。在一些实施方式中，方法还包含保持飞行器在至少50,000英尺的高度处静止至少30天。在一些实施方式中，方法还包含使用飞行器机载的通信装置进行通信。
以下更详细地描述这些和其他实施方式。
附图说明
从以下描述和所附权利要求，结合随附附图，本公开的前述和其他特征将变得更加完全明显。应理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，并且不应被视为限制其范围，将通过使用随附附图以额外的特征和细节来描述本公开。在以下详细描述中，参考了随附附图，其形成本发明的一部分。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识类似的部件。详细描述、绘图和权利要求中描述的说明性实施方式并不意味着限制。在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文通常描述的并且在附图中示出的本公开的方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合和设计，所有这些都明确地考虑并且构成本公开的一部分。
图1是具有管道的轻于空气的高海拔平台的实施方式的立体图，为清楚起见，移除了高海拔平台的一部分。
图2是图1的高海拔平台的侧截面图。
图3是从图2中获取的细节图，示出了管道的中间区域的实施方式的细节。
图4是用于用轻于空气的飞行器提供持续的高海拔飞行的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
以下详细描述针对该开发的某些特定实施方式。在本描述中，参考附图，其中为了清楚起见，类似的部分或步骤可以始终用类似的数字表示。本说明书中对“一个实施方式”、“实施方式”或“在一些实施方式中”的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书中在各处出现的短语“一个实施方式”、“实施方式”或“在一些实施方式中”不一定都指代相同的实施方式，也不一定是与其他实施方式互斥的单独或替代的实施方式。此外，描述了可以由一些实施方式而不是由其他实施方式呈现的各种特征。类似地，描述了各种要求，这些要求可以是对于一些实施方式的要求，但可以不是对其他实施方式的要求。
现在将参考随附附图描述该开发的实施方式，其中，类似的数字始终指类似的元件。在此呈现的描述中使用的术语不旨在以任何有限或限制的方式解释，仅仅因为它与该开发的某些特定实施方式的详细描述结合被使用。此外，该开发的实施方式可以包括若干新颖特征，其中没有单个的一个特征单独负责其期望属性或者其对于实践本文所描述的发明是必不可少的。
图1是轻于空气的高海拔平台(HAP)10的实施方式的立体图。为清楚起见，仅部分地示出了HAP 10。在图1中已经移除了HAP 10的一半，使得内部部件和特征更容易理解。
可以关于各个方向和取向来描述HAP 10。为了便于这样的描述，中心轴线20指示为如图所示的。轴线20可以由管道200限定，如进一步描述的。如图所示限定向前方向30。除非上下文另有规定，向前方向30指示HAP 10的前部面向的方向。此外，如图所示，还限定了向后方向40、向上方向50和向下方向60。向前方向30和向后方向40彼此平行并沿相反方向延伸。在一些实施方式中，如本文所述，向前方向30和向后方向40可以与轴线20平行和/或对齐。向上方向50和向下方向60沿相反方向彼此平行并且垂直于向前方向30和向后方向40。在一些实施方式中，如本文所述，向上方向50和向下方向60可以垂直于轴线20。
HAP 10包括可充气本体100。本体100在图1中示出为处于充气(充足气)配置。当未充气时和/或当充气不足时，本体100可以具有不同的尺寸和/或形状。如图所示，充气的本体100包括前部102和后部104。前部102位于在HAP 10的向前方向30上。后部104与前部102相对的位于在HAP的向后方向40上。
HAP 10包括本体壁110。本体壁110可以形成本体100的一部分。壁110可以是薄壁结构。例如，壁110可以由适当厚度的聚合物膜形成。在一些实施方式中，壁110可以由聚乙烯基的材料形成。在一些实施方式中，壁110可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料例如聚酯薄膜形成。可以使用其他合适的材料。壁110可以具有约0.1英寸的厚度。壁110可以具有小于约0.1英寸的厚度。壁110可以具有约0.1英寸的平均厚度。壁110的厚度可以是均一的。在一些实施方式中，壁110的厚度可以不是均一的，使得壁110具有可变的厚度。在一些实施方式中，壁110可以具有从约0.03英寸至约0.17英寸的厚度。在一些实施方式中，壁110可以具有从约0.05英寸至约0.15英寸的厚度。在一些实施方式中，壁110可以具有约0.08英寸至约0.12英寸的厚度。
壁110至少部分地限定可充气容积部120。容积部120是配置成在其中接收轻于空气的气体130的空间。容积部120可以部分地由壁110限定，并且部分地由HAP 10的另一部分或多个其他部分限定。在一些实施方式中，容积部120可以由壁110和管道200限定，如本文所述。在一些实施方式中，可以通过围绕轴线20旋转二维形状来限定容积部120。旋转的二维形状可以在含有轴线20的平面中，使得容积部120在垂直于轴线20的平面中关于轴线20柱形对称。在一些实施方式中，容积部120可以具有与该柱形对称的偏差(偏离)。容积部120可以关于在与轴线20和向上方向50相交的竖直平面中的反射(映像)对称。在一些实施方式中，容积部120可以相对于在与轴线20和向上方向50相交的竖直平面中的反射不对称。容积部120可以相对于在与轴线20相交并垂直于向上方向50的水平平面中的反射对称。在一些实施方式中，容积部120可以相对于在与轴线20相交并垂直于向上方向50的水平平面中的反射不对称。因此，容积部120可以具有各种形状，无论是对称的、不对称的、柱形的、非柱形的、圆形的、非圆形的等。
容积部120可以与外部环境隔离，以便保留在其中含有的轻于空气的气体130。容积部120可以是连续的。如图所示，容积部120可以围绕管道200延伸以限定单个连续的容积部。在一些实施方式中，容积部120可以是不连续的。例如，可以存在容积部120的多个离散部分。可以存在限定容积部120的多个单元。通过降低对容积部120灾难性刺穿的风险，容积部120的多个单元或其他部分可以提供更稳健和可靠的提升机制。例如，鸟或其他物体可能与HAP 10碰撞并且仅刺穿容积部120的一部分，使得仅该部分失去气体130，而容积部120的分开的部分可以不受这种碰撞的影响而不会丢失在其中的它们的各自的气体130。
如本文另外描述的，由容积部120占据的总容积(体积)可以基于容积部120的海拔和内部压力而改变。因此，由容积部120占据的总容积可以是各种合适的量。在一些实施方式中，由容积部120占据的总容积约为1000m3至13,000m3。在一些实施方式中，由容积部120占据的总容积约为4400m3。由容积部120占据的总容积可以取决于HAP 10的各个系统的质量和能量需求，诸如有效载荷340。
容积部120和/或HAP 10的其他部分可以含有足以向HAP 10提供升力的气体130的总量。在一些实施方式中，HAP 10含有足够量的气体130，使得HAP 10可以达到50,000英尺的最小海拔。在一些实施方式中，HAP 10含有足够量的气体130，使得HAP 10可以达到55,000英尺、60,000英尺、65,000英尺、70,000英尺、75,000英尺、80,000英尺，和/或任何更低、中间的或更高的海拔。这里的“海拔”是指对于HAP 10的给定纬度和经度在海平面上方的高度。将HAP 10保持在地球上的指定点上方需要消耗能量以对抗大气层中的任何风流。在一些实施方式中，HAP 10维持在一定海拔处或海拔的范围中，在这些位置处盛行风速度与其他海拔相比相对较低。在一些实施方式中，HAP 10维持在大约60,000-75,000英尺处，在该位置风速可以平均约每小时10-20英里(mph)。
如上所述，HAP 10可以包括轻于空气的气体130。在一些实施方式中，气体130可以是氢气。在一些实施方式中，气体130可以是氦气。在一些实施方式中，气体130可以是氢和氦的混合物。气体130可以设置在容积部120中并由其接收。
表1提供了可以用于轻于空气的气体的不同密度的实施方式。气体130可以具有不同密度。这些密度可以改变，例如，当HAP 10爬升到具有较冷温度的海拔、在不同季节或具有各种温度的地理区域下发射时。在一些实施方式中，可以提供针对氦气或氢气的密度的特定值。在表1中，示出在不同的温度和海拔下的密度，并且与在这些温度和海拔下的大气空气相比以供参考。因为HAP 10由于比移位的环境空气的体积轻而被提升，因此对于给定的温度和海拔，气体密度低于环境空气的密度。在一些实施方式中，由于温度的差异，密度可能改变约10％。如本文所描述的，HAP10在高海拔处可以是“中性浮力”，因此还示出了大气空气的密度以供参考。
表1.轻于空气的气体在不同温度和海拔下的不同密度，与空气相比较，以供参考。
本体100可以被增压。本体100的容积部120可以通过气体130被增压。当充气至低于环境大气压力的压力时，HAP 10的增压本体100和/或其他增压部分可以被描述为“充气不足”、“亚增压”等。当充气至高于环境大气压力的压力时，HAP 10的增压本体100和/或其他增压部分可以被描述为“过度充气”、“超增压”等。在一些实施方式中，本体100可以在小于发射地点处的环境大气压力(即充气不足)但大于更高海拔处的环境大气压力(即超增压)的压力下被增压。由于环境大气压力随着海拔的增加而降低，这两个条件可以通过单一压力来满足。在一些实施方式中，HAP10的本体100和/或其他部分内的气体可以具有比保持高海拔的驻位处的环境大气压力高约0.1psi的压力。在一些实施方式中，HAP 10的本体100和/或其他部分内的气体在约60,000英尺处可以具有约1磅每平方英寸(psi)的压力。在一些实施方式中，HAP 10的本体100和/或其他部分内的气体在约75,000英尺处可以具有约0.6psi的压力。
在一些实施方式中，并且如本文进一步描述的，在发射处，本体100可以是充气不足的，并且本体100的期望的气动流线型形状可以在保持高海拔的驻位处或其附近形成。因此，本体100可以在其保持高海拔的驻位处是超增压的，使得本体100在该海拔处具有其期望的气动形状。否则，表面特性诸如本体100的轮廓或外形将波动，并且HAP 10上的阻力将不会维持在其最小值处，意味着将需要花费更多的能量来将HAP 10保持在其期望的驻位保持位置处。
如上所述，HAP 10可以连续数天或数月被维持在保持高海拔的驻位处。HAP 10在飞行中和/或驻位保持时的能量收集支撑这种能力。为此，HAP 10可以包括太阳能系统150。在一些实施方式中，系统150可以与本体100耦接。在一些实施方式中，系统150可以形成本体100的一部分。系统150可以符合本体10的期望的最终形状。在一些实施方式中，系统150或其部分可以位于本体100内。
太阳能系统150可以包括一个或多个太阳能面板155。面板155可以与本体100耦接或者可以限定其部分。如图所示，面板155可以位于本体100的上部(如图1中的取向)部分上。如本文所描述的，面板155可以从太阳收集太阳能以存储并由HAP 10使用。
HAP 10包括管道200。管道200可以是穿过HAP 10延伸的开口。管道200可以限定轴线20。例如，轴线20可以是从管道200的一端到另一端的管道200的多个截面的几何中心。在一些实施方式中，管道200沿其长度可以具有同心的圆形或椭圆形的截面，并且因此轴线20可以由管道200的这些几何截面的中心点限定。
管道200可以包括管道壁205。壁205可以是轻质的刚性结构。壁205可以由各种材料形成，包括具有增强纤维的复合材料，诸如嵌入环氧树脂和/或塑料基质中的碳或石墨纤维，或金属诸如铝。可以使用其他合适的材料。例如，壁205可以具有外部环肋以给结构增加稳定性。在一些实施方式中，本体100的部分诸如壁110对于可见光可以是透明的。本体100可以是透明的，并且太阳能系统150可以直接安装在管道200的外部，诸如在管道壁205的外部，使得光可以穿过本体100的透明部分并且由系统150收集。管道壁200的部分诸如管道壁205可以部分地限定可充气容积部120。在一些实施方式中，本体壁110可以与管道200的端耦接，诸如在管道壁200的相对端处或其附近，使得管道壁205的外表面在管道200的端之间，与本体壁110的内表面一起，至少部分地限定容积部120。
管道200限定第一开口210和第二开口220。第一开口210位于HAP 10的向前30部分处。第一开口210可以位于本体100的前部102处。在一些实施方式中，第一开口210可以位于比本体的前部102更向后40。例如，第一开口210可以位于比本体100的最向前30部分向后40较远。在一些实施方式中，第一开口210可以位于比本体的前部102更向前30。例如，第一开口210可以位于比本体100的最向前30部分向前30较远。
第二开口位于HAP 10的向后40部分处。第二开口220可以位于本体100的后部104处。在一些实施方式中，第二开口220可以位于比本体100的后部104更向前30。例如，第二开口220可以位于比本体100的最向后40部分向前30较远。在一些实施方式中，第二开口220可以位于比本体100的后部104更向后40。例如，第二开口220可以位于比本体100的最向后40部分向后40较远。
管道200可以包括中间区域230。如图2所示，区域230可以位于与第二开口220相比更靠近第一开口210。如所示出的，区域230可以位于非常靠近第一开口210。这仅仅是实例，并且区域230可以位于沿管道200的任何位置，该管道与第二开口220相比更靠近第一开口210。在一些实施方式中，区域230可以位于沿管道200的任何位置，包括与第一开口210相比更靠近第二开口。中间区域230可以包括一个或多个螺旋桨400，如本文所述。在一些实施方式中，中间区域230可以指在管道200的驻位或特定纵向长度处的管道200的内部容积部，如本文所述。
在一些实施方式中，在管道200的第一开口210和第二开口220处和/或在其附近的管道200的部分可以与本体壁110耦接，使得管道壁205的外表面在第一开口210和第二开口220之间，与本体壁110的内表面一起，至少部分地限定容积部120。在一些实施方式中，中间区域230处的管道壁205的外表面可以至少部分地限定容积部120。
管道200减少了飞行中HAP 10上的阻力。HAP 10上的气动阻力的减小是由管道200中的螺旋桨400动作引起的。该动作减小了在开口210和管道200的向前30面向表面上和在HAP 10的向前30面向表面上的压力。它还在如此描述的表面上引发层流，并且引起螺旋桨的后方的压力增加在管道200中，其提供向前推力部件。例如，朝向本体100的前部102流动的大气的部分，其将以其他方式流过HAP 10，代替流入管道200中。在一些实施方式中，在HAP 10的前部中的大部分自由流70转移或移动到第一开口210。管道200的第一开口210和/或向前部分240可以成形为使得气流在管道200的收缩部分诸如中间区域230处撞击在一个或多个螺旋桨叶片410上。然后，管道200可以以防止边界层通过管道200的整个长度分离的角度发散。在一些实施方式中，阻力系数已经计算出比相同容积部(并因此具有相同的标称提升能力)的最佳球形形状的阻力系数少多于40％以上。
HAP 10可以包括一个或多个总线300。总线300可以包括各种系统、电子设备、马达、有效载荷等，如本文所描述的。总线300可以与HAP 10耦接。如图所示，总线300可以与管道200耦接。总线300可以位于HAP 10的向下60和向前20部分处。在一些实施方式中，总线300可以位于HAP 10的其他位置中，诸如向上50位置和/或更向后40位置。总线300还可以被耦接和/或限定HAP 10的其他部分，诸如本体100。
HAP 10可以包括一个或多个螺旋桨400。螺旋桨400配置为向HAP 10提供推进推力。螺旋桨400可以提供推力以使HAP 10相对于地面保持静止。在一些实施方式中，螺旋桨400可以提供足够的推力以使HAP 10在向前30方向上相对于地面移动。螺旋桨400可以位于管道200内。如图所示，螺旋桨400可以位于管道200的中间区域230中。在一些实施方式中，可以存在多于一个螺旋桨400。可以存在两个或更多个螺旋桨400。在一些实施方式中，HAP10包括沿相对方向旋转的第一和第二螺旋桨400。在一些实施方式中，HAP 10包括两个或更多个螺旋桨400，配置成使得在操作时两个或更多个螺旋桨400的总角动量近似为零。在一些实施方式中，HAP 10包括两个或更多个螺旋桨400，配置成使得在操作时两个或更多个螺旋桨400的总角动量在平台上产生净扭矩，其在平台的控制系统的控制范围内。例如，所得到的净扭矩可以不同于零，但是通过HAP 10的控制表面500可管理，使得表面500可以抵消由操作螺旋桨(一个或多个)400产生的任何净扭矩。附加螺旋桨(一个或多个)400可以位于管道200中在第一和/或第二螺旋桨400附近。
一个或多个螺旋桨400可以各自包括一个或多个叶片410。叶片410可以设计尺寸为在管道200的螺旋桨所在的部分的整个宽度的大部分上延伸。在一些实施方式中，叶片410可以设计尺寸为在小于管道200的螺旋桨所在的部分的整个宽度的大部分上延伸。如图所示，螺旋桨400可以包括三个叶片410。在一些实施方式中，螺旋桨400可以包括少于或多于三个叶片410。
HAP 10可以包括一个或多个控制表面500。控制表面500可以提供HAP10的飞行的方向和/或取向的气动控制。在飞行中环绕HAP 10的自由流可以撞击在控制表面500上，并且从而在HAP 10上提供旋转和/或线性力。控制表面500可以是静止的或可移动的。控制表面500中的一些或全部可以是刚性或半刚性结构。在一些实施方式中，控制表面500中的一些或全部可以是可充气结构。在一些实施方式中，控制表面500中的一些或全部可以是接收轻于空气的气体130的可充气结构。可充气控制表面500可以增压至与HAP 10的其它增压部分诸如本体100相同或不同的压力。
控制表面500可以包括竖直稳定器510。竖直稳定器510可以位于本体100的后部104处或其附近。竖直稳定器510可以取向为使得其位于与轴线20和向上方向50相交的平面中。竖直稳定器510可以是固定的、可移动的或其组合。可以存在多于一个竖直稳定器510。竖直稳定器510也可以是成角度的。在一些实施方式中，可以存在两个竖直稳定器510，当从向后方向40观察时，其一起形成V形尾部。
控制表面500可以包括侧向稳定器520。侧向稳定器520可以位于本体100的后部104处或其附近。在一些实施方式中，侧向稳定器520可以取向为使得其位于与轴线20相交并垂直于向上方向50的平面中。如所示出的，侧向稳定器520可以相对于这样的平面略微倾斜。可以存在两个或更多个侧向稳定器520。可以存在两个侧向稳定器520，当从向后方向40观察时，其一起形成V形尾部。侧向稳定器520可以是固定的、可移动的或其组合。
图2是HAP 10的侧截面图。朝向自由流70取向来示出HAP 10。为清楚起见，仅指示流70的一部分。流70可环绕整个HAP 10。流70指示环境大气相对于HAP 10的流动方向。因此，当HAP 10相对于地面静止时，流70可以存在，在这种情况下，流70可以是盛行风。此外，HAP 10可以相对于地面沿向前方向30或向后方向40移动，并且因此流70可以是由于HAP 10与环境大气之间的相对移动。在一些实施方式中，流70可以是由于相对于地面的环境大气的移动和HAP 10的移动的组合。流70被示出为平行于向前方向30和轴线20。在一些实施方式中，流70可以不平行于向前方向30和轴线20。例如，流70可以相对于向前方向30和轴线20成角度。
流70通常指的是周围大气相对于HAP 10的不间断流。因此，流70可以在其在HAP10上、上方、周围流动和/或流过HAP时遇到HAP 10并改变速度和/或方向，或者以其他方式变成中断的，如下所述。
HAP 10可以具有总长度L。长度L可以由前部102与后部104之间的距离限定。在一些实施方式中，长度L是沿前部102与后部104之间的轴线20的距离。在一些实施方式中，长度L可以与沿前部102与后部104之间的轴线20的距离不同。例如，管道200可以相对于本体100的前部102和后部104成角度。
HAP 10可以具有对于长度L的各种特定值。在一些实施方式中，长度L可以是约20-50米。在一些实施方式中，长度L可以是约30-40米。在一些实施方式中，长度L可以是约36米(118英尺)。
可以沿长度L限定各种几何驻位S1、S2、S3、S4。第一驻位S1可以被限定为沿长度L在本体100的前部102处的位置。在一些实施方式中，第一驻位S1被限定为管道200的第一开口210的位置。第二驻位S2可以被限定为沿长度L在本体100的后部104处的位置。在一些实施方式中，第二驻位S2被限定为管道200的第二开口220的位置。第三驻位S3可以被限定为沿长度L在管道200的中间区域230处的位置。在一些实施方式中，第三驻位S3被限定为沿中间区域230的特定部分的长度L的位置。例如，第三驻位S3可以被限定为螺旋桨400在中间区域230内的位置。第三驻位S3可以位于距前部102距离为LS3处。如本文所述，在一些实施方式中，第三驻位S3可以被限定为中间区域230的向前或向后部分或边界，如本文所描述的，例如相对于图3。第四驻位S4可以被限定为沿长度L本体100最宽的位置。在一些实施方式中，第四驻位S4可以是沿最大宽度D的长度L的位置，如本文所述。第四驻位S4可以位于距前部102的距离为LS4处。
本体100可以具有最大宽度D。最大宽度D可以是如垂直于轴线20测量的本体100的相对的外表面的最大线性测量值。此外，最大宽度D可以沿竖直方向或水平方向或垂直于轴线20的任何其他方向测量。如图2所示，最大宽度D可以是竖直尺寸(如所取向的)。在一些实施方式中，最大宽度D可以是水平尺寸(如所取向的)。在一些实施方式中，本体100可以具有基本圆形的截面，使得如在沿长度L的任何驻位处测量的本体100的宽度对于任何方向都是相同的。例如，本体100的竖直和水平宽度对于沿长度L的所有驻位或任何给定的驻位可以是相同的。在一些实施方式中，最大宽度D可以是约10-25米。在一些实施方式中，最大外宽度D可以是约17米(56英尺)。
如所提到的，最大宽度D可以位于驻位S4处。驻位S4可以位于LS4处。第四驻位S4可以位于沿长度L的不同位置处(并且因此LS4可以具有不同值)。在一些实施方式中，驻位S4可位于距前部102大约L的10-50％处。在一些实施方式中，驻位S4可位于距前部102大约L的20-40％处。在一些实施方式中，驻位S4可以位于距前部102大约L的25-35％处。在一些实施方式中，驻位S4可以位于距前部102大约L的30％处。
本体100可以具有气动轮廓。这里的“气动”，以及“流线型”等，指的是阻力减小。因此，本体100可以具有减小由于例如自由流70引起的阻力的轮廓。本体100可以具有各种形状、尺寸、配置、布置等，并且仍然是气动的。因此，这里公开的特定方面仅仅是一些实例，并且可以实现其他合适的变体。
本体100可以具有一系列纵横比(长宽比)以实现气动轮廓。这里使用的“纵横比”是本体100的长度L与最大宽度D的比，即L/D。在一些实施方式中，长度L大于最大宽度D。因此，纵横比可以大于1。在一些实施方式中，纵横比为约1.25-4。在一些实施方式中，纵横比为约1.5-3.5。在一些实施方式中，纵横比为约1.75-3。在一些实施方式中，纵横比为约1.8-2.5。在一些实施方式中，纵横比为约1.9至2.3。在一些实施方式中，纵横比约为2.1。这些仅仅是一些实例，并且纵横比可以是任何更低、中间或更大的值。
管道200的各种几何参数可以相对于驻位S1、S2、S3来限定。在驻位S1的位置处，管道200可以具有第一宽度W1。如上所述，第一驻位S1可以对应于管道的第一开口210的纵向位置，“纵向”是指沿长度L的位置。因此，在一些实施方式中，宽度W1可以是管道200的第一开口210的宽度的尺寸。例如，宽度W1可以是管道200具有圆形截面处的直径。例如，在一些实施方式中，宽度W1可以是管道200具有椭圆截面处的截面的主要或次要直径。因此，宽度W1可以仅是沿向上方向50和向下方向60测量的管道200的尺寸。在一些实施方式中，宽度W1可以是在垂直于轴线20的任何方向上测量的管道200的尺寸。因此，在驻位S1的位置处，管道200可以具有基于第一宽度W1的第一截面面积A1(未示出)。在一些实施方式中，管道200在第一驻位S1处具有圆形截面，并且因此在第一驻位S1处的第一截面面积A1可以是使用第一宽度W1作为圆的直径的圆的面积。
在第二驻位S2的位置处，管道200可以具有第二宽度W2。如上所述，第二驻位S2可以对应于管道的第二开口220的纵向位置。因此，在一些实施方式中，宽度W2可以是管道200的第二开口220的宽度的尺寸。例如，宽度W2可以是管道200具有圆形截面处的直径。例如，在一些实施方式中，宽度W2可以是管道200具有椭圆形截面处的主要或次要直径。因此，宽度W2可以仅是沿向上方向50和向下方向60测量的管道200的尺寸。在一些实施方式中，宽度W2可以是在垂直于轴线20的任何方向上测量的管道200的尺寸。因此，在驻位S2的位置处，管道200可以具有基于第二宽度W2的第二截面面积A2(未示出)。在一些实施方式中，管道200在第二驻位S2处具有圆形截面，并且因此第二驻位S2处的第二截面面积A2可以是使用第二宽度W2作为圆的直径的圆的面积。在一些实施方式中，第二宽度W2可以是约11.7英尺(3.6米)。
第三驻位S3可以位于距前部102、距第一开口210和/或距第一驻位S1的距离为LS3处。在一些实施方式中，LS3可以从约5英尺到30英尺。在一些实施方式中，LS3可以从约10英尺到15英尺。在一些实施方式中，LS3可以是约12英尺。在一些实施方式，LS3可以是L的约2％至20％。在一些实施方式，LS3可以是L的约4％至15％。在一些实施方式，LS3可以是L的约8％至12％。在一些实施方式中，LS3可以是L的约10％。
在第三驻位S3处，管道200可以具有第三宽度W3(如图3所示-图2中指示的细节3的区域在图3中示出)。如图2所示，第三驻位S3的位置LS3可以对应于中间区域230的纵向位置或其一部分。因此，在一些实施方式中，宽度W3可以是中间区域230的宽度或其部分的尺寸。例如，宽度W3可以是管道200具有圆形截面处的直径。例如，在一些实施方式中，宽度W3可以是管道200具有椭圆形截面处的主要或次要直径。因此，宽度W3可以仅是沿向上方向50和向下方向60测量的管道200的尺寸。在一些实施方式中，宽度W3可以是在垂直于轴线20的任何方向上测量的管道200的尺寸。因此，在驻位S3的位置处，管道200可以具有基于第三宽度W3的第三截面面积A3(未示出)。在一些实施方式中，管道200在第三驻位S3处具有圆形截面，并且因此第三驻位S3处的第三截面面积A3可以是使用第三宽度W3作为圆的直径的圆的面积。在一些实施方式中，第三宽度W3可以是约8.2英尺(2.5米)。
管道200的不同宽度和截面面积可以是不同量。如图所示，A1可以大于A2和A3中的每个，并且A2可以大于A3。在一些实施方式中，A2可以大于A1和A3中的每个，并且A1可以大于A3。在一些实施方式中，A1和A2可以各自大于A3，并且A1和A2可以彼此相等。
在A1>A3且A2>A3的实施方式中，管道200的截面面积可以被描述为沿轴线20从前部102到后部104“收敛(收缩)”并且然后“发散(扩散)”。管道200的截面面积可以通过从第一开口210收敛到中间区域230，并且然后从中间区域230发散到第二开口220。管道200可以具有从第一开口210到中间区域230的连续减小的截面面积。管道200可以具有从中间区域230到第二开口220的连续增加的截面面积。中间区域230内的截面面积可以具有各种配置，如本文进一步详细讨论的，例如关于图3。
管道可以包括前部管道部分240。前部管道部分240可以是管道200在中间区域230的向前30的部分。前部管道部分240可以是管道200在第一开口210与中间区域230之间的部分。前部管道部分240可以是管道200在第一开口210与中间区域230的向前部分236或向前边界232之间的部分(在图3中示出)。在一些实施方式中，前部管道部分240的向前30端可以由除管道200之外的HAP 10的其他特征限定，诸如由本体100。例如，从中间区域230，管道壁205可以在到达第一驻位S1之前终止，并且本体100的特征诸如本体壁105然后可以将轮廓延续到第一开口210。这种配置仍被认为是第一开口210的管道延伸。因此，可以以各种方式限定前部管道部分240的向前30端。与前部管道部分240的向后40端处的截面面积相比，前部管道部分240可以在第一开口210处具有更大的截面面积。前部管道部分240可以具有从前部管道部分240的第一开口210到向后40端的连续减小的截面面积。
管道可以包括后部管道部分250。后部管道部分250可以是管道200在中间区域230的向后40的部分。后部管道部分250可以是管道200在中间区域210与第二开口230之间的部分。后部管道部分250可以是管道200在中间区域230的向后部分237或向后边界234(图3中示出)与第二开口220之间的部分。在一些实施方式中，后部管道部分250的向后40端可以由除管道200之外的HAP 10的其他特征限定，诸如由本体100。例如，从中间区域230，管道壁205可以在到达第二驻位S2之前终止，并且本体100的特征诸如本体壁105然后可以将轮廓延续到第二开口220。这种配置仍然被认为是延伸到第二开口210的管道。因此，可以以各种方式限定后部管道部分250的向后40端。与向前管道部分240的向前30端处的截面面积相比，后部管道部分250可以在第二开口220处具有更大的截面面积。后部管道部分250可以具有从后部管道部分240的向前30端到第二开口220的连续增加的截面面积。
后部管道部分250的截面面积可以从后部管道部分250的向前30端到第二开口220连续增加。在一些实施方式中，后部管道部分250的截面面积可以从后部管道部分250的向前30端到管道200在第二开口220附近的部分连续增加。例如，在第一实施方式中，第二开口220可以具有唇部或其他特征，其改变该位置处的截面面积的增加率。在一些实施方式中，截面面积的增加可以是均一的。“均一地”指的是截面面积的增加率沿后部管道部分250的长度可以是不变的。此外，“均一”和“连续”也包括截面面积的变化率的微小变化，例如考虑到管道200的铆钉或其他结构特征，其可以略微改变管道200的截面面积的变化率精确的“均一性”或“连续性”，但仍允许管道200执行其气动功能，如本文所述。
可以以各种方式配置后部管道部分250的截面面积的增加率。在一些实施方式中，后部管道部分250可以配置为使得后部管道部分250的截面可以限定角度B1，如图2所示。角度B1可以是后部管道部分250的管道壁205的相对部分之间的角度。“相对的”在这里指从彼此跨越180度。如所示出的，角度B1可以限定为管道200的向上50部分与管道200的相对的向下60部分之间的角度。对于圆形截面管道200，该角度B1可以与沿管道200的给定的纵向截面的任何方向测量的相同。“纵向截面”在此应理解为表示沿与由管道200限定的轴线20相交的纵向平面截取的管道200的截面。
角度B1可以限定管道200的发散角。在一些实施方式中，角度B1为约0.25°至约5°。在一些实施方式中，角度B1为约0.5°至约3°。在一些实施方式中，角度B1为约0.75°至约2°。在一些实施方式中，角度B1为约1°至约1.75°。在一些实施方式中，角度B1为约1.3°。
在一些实施方式中，后部管道部分250可以配置为使得后部管道部分250的截面可以限定两个半角B2和B3，如图2所示。半角B2和B3可以彼此相等。半角B2和B3各自可以是B1的一半。在一些实施方式中，半角B2和B3可以彼此不相等。例如，后部管道部分250可以沿管道壁205的一个或多个第一部分以第一速率发散，并且可以沿与管道壁205的一个或多个第一部分不同的管道壁205的一个或多个第二部分以不同于第一速率的第二速率发散。在一些实施方式中，B2可以是大约0.6°，或任何更小、中间或更大的量。在一些实施方式中，B3可以是大约0.6°，或任何更小、中间或更大的量。
管道200可以基于气动考虑进行配置。在一些实施方式中，管道200的尺寸和形状设计成使通过管道200的阻力最小化。在一些实施方式中，前部管道部分240、中间区域230和/或后部管道部分250可以配置成最大化通过管道200转移的自由流70的层流。在一些实施方式中，螺旋桨400前面的中间区域230和前部管道部分240可以配置成最大化通过管道200转移的自由流70的层流。本文描述的管道200的各个方面-包括但不限于根据L的管道200的截面面积，管道200的向前部分240的收敛率，管道200的向后部分250的发散率，管道角度A1、A2、A3，宽度W1、W2、W3等-可以基于最小化通过管道200气动阻力(例如通过最大化层流)来确定。
在一些实施方式中，低气动阻力条件(例如最大层流)可以在本体100的前部102上方和螺旋桨400前面的整个管道200产生。这是通过为管道200的各个方面以及本体100的外部包络线(包层)或轮廓以及HAP 10的其他部分选择适当的值来实现的。在一些实施方式中，与常规的轻于空气的高海拔平台相比，HAP 10上的流在向后40方向上进一步从层流转变成湍流。本体100可以配置成例如成形成使得层流至少发生在HAP 10的前部102。HAP 10上方的流可以在HAP 10的后部104中转变成完全湍流。流从层流转变成湍流处的精确位置取决于雷诺数和本体100的特定压力梯度和表面特性。例如，当本体100充气时，后部位于距前部102的距离为L处。在一些实施方式中，从层流到湍流的转变可以发生在距前部102约L的30％至45％，例如，距第一驻位S1约L的30％至45％。得到的边界层减小了HAP 10的阻力特性。除了本文所述的管道200的各个方面之外，HAP 10的其他特性的各个方面-包括但不限于最大宽度D、长度L、D沿L的纵向位置、纵横比等-可以基于降低HAP 10的阻力系数来确定，如本文所述。
表2示出了与参考飞行器相比，HAP 10的实施方式的各种参数值和在给定环境中产生的阻力值。HAP 10的参数值在表1的第三列中示出，而第2列列出了参考飞行器的参数值，其具有用于提升气体的可比较的封闭体积(容积部)(并且因此可比较的提升能力)，但不具有延伸通过飞行器的任何开口，诸如管道200。给出了在410千克(kg)的提升能力和20米每秒(m/s)的自由流70下给定为65,000英尺的海拔的示例性值。(注意，使用高于平均风速的速度用于该计算，因为长时间段驻位保持的能力可以由较高风速下性能支配。)如所示出的，在这种情况下，HAP 10经受的阻力是参考飞行器在相同情况下所经受的阻力的约一半。该阻力可以对应于约5×106的雷诺数。可以基于表面面积阻力系数Cd来计算阻力。
表2.用于HAP 10的实施方式和参考飞行器的产生的阻力和设计参数，每个具有约
410kg的提升能力，在65,000英尺的海拔处，以及约20m/s的自由流中。
HAP 10可以包括一个或多个总线300。总线300可以包括一个或多个飞行系统、电子设备、控制器、有效载荷、通信装置、传感器、处理器、电池等。如图所示，在一些实施方式中，总线300可以包括马达310、能量存储器320、控制器330和有效载荷340。
马达310可以是任何合适的马达，配置成从能量存储器320接收能量并致动螺旋桨400。螺旋桨400和马达310可以通过轴或其他动力传动装置(未示出)连接。
能量存储器320可以存储能量以被HAP 10用作动力。在一些实施方式中，能量存储320是电池。能量存储器320可以向马达310和HAP 10上的其他能耗装置或系统提供能量，包括但不限于控制器330和有效载荷340。能量存储器320可以经由适当的电连接和电子设备(未示出)从太阳能系统150接收能量。
控制器330可以是任何合适的飞行控制器。控制器330可以控制HAP 10的各种系统和装置。在一些实施方式中，控制器330可以控制控制表面500、螺旋桨400、能量存储器320和/或有效载荷340。控制器330可以包括任何合适的处理器、短期和/或长期存储器、软件和/或硬件模块、接收器和/或发射器、显示器等。
有效载荷340可以是为HAP 10的任务使用或操作的任何装置或系统。因此，有效载荷340可以排除所需的其他系统以仅操作HAP 10。有效载荷430可以包括例如通信设备、各种传感器，数据处理设备等。在一些实施方式中，有效载荷340可以具有约10kg至约100kg的质量，或任何更低的中间的或更大的质量。
HAP 10可以包括一个或多个控制表面500。控制表面500可以包括一个或多个侧向稳定器520。侧向稳定器520可以包括一个或多个固定部分522和/或一个或多个可移动部分524。如所示出的，固定部分522可以位于侧向稳定器520的向前30部分处。可移动部分524可以位于侧向稳定器520的向后40部分处。可以移动一个或多个可移动部分524以操纵或以其他方式对HAP 10取向，并且可以由控制器330控制。
各种控制表面500诸如其它表面或侧向稳定器和竖直稳定器510的可移动部分524和/或固定部分522可以用于维持HAP 10的取向。例如，各种控制表面500可以维持HAP 10的前部102面向自由流70。由于自由流70在控制表面500上施加的动量，控制表面500可以被动地维持这种取向。因此，控制表面500例如其任何可移动部分可以不需要移动以维持这种取向。
太阳能系统150可以具有各种布置。在一些实施方式中，可以存在一个或多个太阳能面板155。如图所示，可以存在三个太阳能面板155。太阳能面板155可以沿HAP 10的向上50部分定位，诸如在本体100的向上50部分上。例如，在一些实施方式中，太阳能面板155可以是柔性的(可弯曲的)，以与它们所耦接的HAP 10的部分的轮廓互补，并且维持本体100的形状的气动益处。如上所述，在一些实施方式中，太阳能系统150或其部分可以与管道壁250耦接(例如直接附接)。例如，太阳能面板155中的一些或全部可以附接到管道壁250的外部，并且本体100可以具有透明部分以允许光到达面板155。
图3是如从图2截取并在图2中示出的区域3的详细图，示出了包括中间区域230的管道200的一部分的细节。中间区域230是管道200位于管道200的向前部分240与向后部分250之间的区域。中间区域230可以包括管道200在管道200的截面面积最小处的一部分。管道200的最小截面面积的位置可以位于第三驻位S3处。如本文所述，中间区域230可以具有具有收敛的截面面积的一个或多个部分和/或具有发散的截面面积的一个或多个部分。然而，中间区域230内的截面面积可以具有各种配置，并且不限于发散或收敛。例如，截面面积可以是收敛的、不变的、发散的、连续的、均一的、不均一的或其组合，如本文所述。
如所示出的，中间区域230可以在向前30端上由向前边界232界定。中间区域230可以在向后40端上由向后边界234界定。向前边界232和向后边界234可以是用于描述中间区域230的边界的几何边界。因此，中间区域230可以在端上由向前边界232和向后边界234界定，并且沿侧面由管道壁205界定。
可以参考第三驻位S3来限定向前边界232和向后边界234的位置。如所示出的，向前边界232可以在向前30方向上相对于第三驻位S3位于距离R1处。向后边界234可以在向后40方向上相对于第三驻位S3位于距离R2处。R1可以等于R2。在一些实施方式中，R1为L的约10％。在一些实施方式中，R2为L的约10％。在一些实施方式中，R1可以不等于R2。在一些实施方式中，R1可以大于R2。在一些实施方式中，R2可以大于R1。
中间区域230可以包括一个或多个部分。在一些实施方式中，中间区域230可以包括向前部分236和/或向后部分237。向前部分236可以在向前30端上通过向前边界232界定。向后部分237可以在向后40端上通过向后边界234界定。向前部分236和向后部分237可以彼此接界，例如在驻位S3处。
螺旋桨400可以位于管道200内的不同纵向位置处。螺旋桨400可以位于管道的中间区域230内或其附近。如所示出的，螺旋桨400可以位于第三驻位S3处。在一些实施方式中，螺旋桨400的一部分可以位于向前部分236中，并且螺旋桨400的一部分可以位于向后部分237中。在一些实施方式中，螺旋桨400可以全部或大部分位于向前部分236中。在一些实施方式中，螺旋桨400可以位于向前边界232处。在一些实施方式中，螺旋桨400可以部分地或完全地位于向前边界232的向前30。在一些实施方式中，螺旋桨400可以全部或大部分位于向后部分237中。在一些实施方式中，螺旋桨400可以位于向后边界234处。在一些实施方式中，螺旋桨400可以部分地或全部地位于向后边界234的向后40。
螺旋桨400的位置可以相对于HAP 10的其他特征来描述。在一些实施方式中，螺旋桨400可以位于距中间区域230的向前部分236为管道200的长度的约10％或更小的距离处，在向前30或向后40方向上。在一些实施方式中，螺旋桨400可以位于距中间区域230的向前部分236为本体100的长度L的约10％或更小的距离处，在向前30或向后40方向上。在一些实施方式中，螺旋桨400可以位于距本体100的前部102到后部104的距离的约10％的距离处。
图4是用于使用轻于空气的高海拔平台提供持续的高海拔飞行的方法600的实施方式的流程图，该高海拔平台具有通过该平台的开口。方法600可以由具有管道200的HAP10执行或与其一起执行。在一些实施方式中，操作者(诸如飞行员)可以根据方法600控制轻于空气的高海拔平台并使其飞行。在一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以根据方法600自主地控制和使其自身飞行。在一些实施方式中，可以使用用户操作和自主控制的组合来根据方法600控制轻于空气的高海拔平台并使其飞行。
方法600从步骤510开始，其中具有穿其而过的管道的轻于空气的高海拔平台的本体被充气。平台可以在地面上、在船上、在另一个飞行的飞行器内等处充气。轻于空气的高海拔平台可以用轻于空气的气体充气，以向平台提供升力。在一些实施方式中，具有管道200的HAP 10的本体100被充气。如本文所述，本体100的管道200可以是“收敛和发散”管道。在一些实施方式中，本体100用气体130充气以向HAP 10提供升力。在一些实施方式中，本体100用气体130充气以向HAP 10提供升力，其中气体量足以将HAP 10提升到50,000英尺的最小海拔。在一些实施方式中，本体100用气体130充气以向HAP 10提供升力，其中气体量足以将HAP 10提升到50,000英尺、55,000英尺、60,000英尺、65,000英尺、70,000英尺、75,000英尺、80,000英尺的海拔，或任何其他更低、中间或更高的海拔。
在步骤510的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台被充气至特定压力。在步骤510的一些实施方式中，本体100和/或HAP 10的其他特征被充气至特定压力。轻于空气的高海拔平台可以被充气至低于发射地点处的环境大气压力但高于在较高海拔处的环境大气压力的压力。例如，轻于空气的高海平平台可以被充气至低于发射地点处的环境大气压力但高于50,000英尺、55,000英尺、60,000英尺、65,000英尺、70,000英尺、75,000英尺、80,000英尺或任何其他较低的、中间或更高的海拔处的环境大气压力的压力。如本文所述，轻于空气的高海拔平台可以在发射地点处是“充气不足”、“亚增压”等。如本文所述，轻于空气的高海拔平台可以在较高的海拔处被描述为“过度充气”、“超增压”等。
方法500可以继续到步骤520，其中轻于空气的高海拔平台飞到高海拔。在步骤520的一些实施方式中，HAP 10飞行到高海拔。在一些实施方式中，步骤520中的轻于空气的高海拔平台由用户操作者(诸如远程飞行员)飞行。在一些实施方式中，步骤520中的轻于空气的高海拔平台自主飞行。在一些实施方式中，步骤520中的轻于空气的高海拔平台部分地由用户操作者且部分自主地飞到高海拔。“高海拔”在这里指大致在50,000英尺以上的海拔。然而，这只是一个近似的描述，并且其他海拔也可以包括在“高海拔”中，诸如40,000英尺、30,000英尺，或其他更低、中间和更高的海拔。
在步骤520的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以在其飞到高海拔时改变形状。在步骤520的一些实施方式中，HAP 10的本体100在其飞向高海拔时改变形状。例如，轻于空气的高海拔平台在发射处可以增压不足(受压)使得本体具有第一形状。然后，当轻于空气的高海拔平台在海拔上爬升时，随着环境大气压力降低，本体的形状可以变为与第一形状不同的第二形状。轻于空气的高海拔平台在其在海拔上爬升时可以有许多不同的形状。轻于空气的高海拔平台在其达到驻位保持的最终海拔后可以具有最终形状。
在步骤520的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以被动地飞到高海拔。例如，用于提供升力的气体的质量可以足够使得平台在其飞向高海拔时具有正浮力。“正浮力”意味着作用在平台上的向上力大于作用在平台上的向下力。向下力可以包括由于重力作用在平台的质量上的力。向上力可以包括作用在平台上的大气的浮力。
方法500可以继续到步骤530，其中轻于空气的高海拔平台被取向成面向自由流。在一些实施方式中，HAP 10可以被取向成面向自由流70。在一些实施方式中，HAP 10的本体100的前部102可以被取向成面向自由流70。在一些实施方式中，HAP 10的第一开口210可以被取向成面向自由流70。轻于空气的高海拔平台可以用一个或多个控制表面取向，诸如控制表面500中的一个或多个。随着平台的飞行，轻于空气的高海拔平台可以被取向成面向自由流。当平台保持静止时，例如在其最终的驻位保持目的地，轻于空气的高海拔平台可以被取向成面向自由流。
方法500可以继续到步骤540，其中维持轻于空气的高海拔平台的高海拔或高海拔范围。在步骤540的一些实施方式中，维持HAP 10的高海拔。轻于空气的高海拔平台可以维持在50,000到80,000英尺之间的海拔或任何其他更低的、中间或更高的海拔处。在步骤540的一些实施方式中，通过面向自由流的平台维持轻于空气的高海拔平台的高海拔。例如，在步骤540中，可以通过面向自由流70的本体100的前部102将HAP 10维持在高海拔处，如本文所述。
在步骤540的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以被动地维持在高海拔处。例如，用于提供升力的气体的质量可以足够使得平台在高海拔处具有中性浮力。如上所述，“中性浮力”是指作用在平台上的向下力和向上力相等。
在步骤540的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以在一个或多个高海拔处维持较长时间段。例如，轻于空气的高海拔平台可以在高海拔处维持30天、45天、60天、90天、120天、180天，或任何更低、中等或更高的时间量。
在步骤540的一些实施方式中，轻于空气的高海拔平台可以通过延伸通过平台的长度的开口来接收自由流的一部分。例如，HAP 10可以通过管道200接收自由流70的一部分。在步骤540的一些实施方式中，与如本文所述的相当的飞行器相比，轻于空气的高海拔平台可以经受更小的阻力。在步骤540的一些实施方式中，在具有约5×106的雷诺数的二十米每秒(m/s)流的情况下，具有表面面积阻力系数约0.002的轻于空气的高海拔平台可以维持在高海拔处。
方法500可以继续到步骤550，其中向轻于空气的高海拔平台发送和/或从其接收数据。在一些实施方式中，向HAP 10发送数据和/或从其接收数据。例如，在步骤550中，总线300的一个或多个系统或装置可以用于发送和/或接收数据。在一些实施方式中，在步骤550中，控制器330和/或有效载荷340可以发送和/或接收数据。在步骤550中，轻于空气的高海平台可以向各种发送器发送数据和/或从各种接收器接收数据，诸如在空间中、在空中、在地面上等处的发送器/接收器。例如，HAP 10可以与卫星、另一航空运载器、地面控制中心等通信。
流程图序列仅是说明性的。本领域技术人员将理解，在本文描述的流程图中体现的步骤、决定和过程可以以不同于本文描述的顺序执行。因此，特定的流程图和描述不旨在将关联的过程限制为以所描述的特定顺序执行。例如，可以在执行方法500之后回收HAP10。这种回收可以以本领域中已知的各种合适方式进行。
虽然上面的详细描述已经示出、描述并指出了该发明的新特征，当其用于各种实施方式时，将理解的是，可以由本领域技术人员进行所示的装置或过程的形式和细节中的各种省略、替换和改变，而不脱离本发明的精神。如将认识到的，本发明可以以不提供本文阐述的所有特征和益处的形式体现，因为一些特征可以与其他特征分开使用或实践。该发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有改变都包含在其范围内。
前面的描述详述了本文公开的系统、装置和方法的某些实施方式。然而，应理解，无论前述内容在文本中如何详细，都可以以多种方式实施这些系统、装置和方法。如上所述，应注意，在描述该发明的某些特征或方面时使用特定术语不应被视为暗示在本文中重新限定术语，以限制包括与该术语关联的技术的任何特定特征或方面。
本领域技术人员将理解，在不脱离所述技术的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。这些修改和改变旨在落入实施方式的范围内。本领域技术人员还将理解，在一个实施方式中包括的部件可以与其他实施方式互换；来自所述实施方式的一个或多个部件可以包括有以任何组合的方式的其他所述实施方式。例如，本文描述和/或图中描绘的各种部件中的任一部件可以与其他实施方式组合、互换或从其他实施方式排除。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适当地根据上下文和/或申请而从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为清楚起见，这里可以明确地阐述各种单数/复数排列。
本领域技术人员将理解，通常，本文使用的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“具有至少”，“包含”的术语应解释为“包含但不限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果引入的权利要求的具体数量是预期的，则在权利要求中将明确地列举这样的意图，并且在没有这样的引用的情况下，不存在这样的意图。例如，作为对理解的辅助，随附的所附权利要求可以含有引入性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用，以引入权利要求引用。然而，这些短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“a”或“an”引入的权利要求引用将含有这种引入的权利要求引用的任何特定权利要求限制为仅含有一个这样的引用的实施方式，甚至当同一权利要求包括引入性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词(诸如“a”或“an”)时(例如，“a”和/或“an”通常应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；对于使用用于引入权利要求引用的定冠词也是如此。另外，即使明确地引用了特定数量的引入的权利要求引用，本领域技术人员也将认识到，这种引用通常应该被解释为意指至少所引用的数字(例如，“两次引用”的净引用，在没有其他修饰语的情况下，通常意指至少两次引用，或两次或更多次引用。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常这样的构造意指本领域技术人员将理解该惯例的含义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独A，单独B，单独C，A和B一起，A和C一起、B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常这样的构造意指本领域技术人员将理解该惯例的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独A，单独B，单独C，A和B一起，A和C一起，B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)。本领域技术人员还将理解，无论在说明书、权利要求书或附图中，实际上任何呈现两个或更多替代术语的反意连接词和/或短语应被理解为考虑包括术语中的一个、术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
本文引用的所有参考文献都通过引用其整体并入本文。在通过引用并入的出版物和专利或专利申请的范围与说明书中包含的该公开矛盾的情况下，该说明书旨在取代和/或优先于任何这样的矛盾材料。
这里使用的术语“包含”与“包括”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包容式或开放式的，并且不排除额外、未引用的元件或方法步骤。
说明书和权利要求中使用的表示要素(组成部分、原料)、反应条件等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则说明书和随附权利要求中列出的数值参数是近似值，其可以根据本发明寻求获得的期望性质而变化。至少，并且不试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围内，每个数值参数应该根据有效数字的数量和普通舍入方法来解释。
以上描述公开了本发明的多种方法和材料。该发明易于对方法和材料进行修改，并且易于改变制备方法和设备。通过考虑本文公开的发明的该公开或实践，这些修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，该发明不限于本文所公开的具体实施方式，而是涵盖在所附权利要求中体现的该发明的真实范围和精神内的所有修改和替代方案。

Claims (21)

1.一种高海拔平台，包括：
可充气本体，配置为在其中含有有效量的气体以提供升力，使得运载器能够达到50,000英尺的最小海拔，其中，当充气时，所述本体具有在所述本体的相对端处的具有第一开口的前部和具有第二开口的后部，其中从所述前部到所述后部的距离限定了充气的本体的长度，并且其中所述充气的本体的长度大于所述充气的本体的最大宽度；
管道，设置成穿过所述本体并具有多个截面面积，所述管道具有至少从所述本体的前部的第一开口处或其附近延伸到所述本体的后部的第二开口处或其附近的长度，其中所述多个截面面积从所述第一开口到所述管道的中间区域的向前部分减小，其中所述中间区域位于与所述第二开口相比更靠近所述第一开口，并且其中所述多个截面面积从所述中间区域的向后部分到所述第二开口增加；以及
螺旋桨，定位在所述管道中在所述第一开口和第二开口之间。
2.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，当充气时，所述本体在自由流中具有约0.002的表面面积阻力系数，所述自由流具有相对于所述本体约为二十米每秒(m/s)的速度并且具有约4.8x106的雷诺数。
3.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，在具有相对于所述本体约为二十米每秒(m/s)的速度的自由流中，所述高海拔平台上的阻力在约65,000英尺的海拔处小于约14磅(lbs)。
4.根据权利要求3所述的高海拔平台，其中，所述高海拔平台具有至少约410kg的提升能力。
5.根据权利要求1所述的高海拔平台，还包括太阳能面板，所述太阳能面板与所述运载器耦接，并且配置成与电能存储器结合以向所述运载器提供电力。
6.根据权利要求5所述的高海拔平台，还包括控制表面，所述控制表面被配置成使所述运载器取向成使得所述前部面向自由流。
7.根据权利要求6所述的高海拔平台，还包括与所述运载器耦接的有效载荷，并包括通信系统。
8.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，所述螺旋桨定位在所述管道中，在所述第一开口与第二开口之间，在位于距所述中间区域的向前部分约所述管道的长度的10％或更小的距离的位置处。
9.一种高海拔平台，包括：
可充气本体，具有前部和位于距所述前部距离L的后部，所述本体被配置为在其中含有至少3,000立方米的浮力气体以提供升力，其中所述浮力气体选自氢气、氦气或其混合物，并且其中当充气时，所述本体在距所述前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度；
管道，从所述前部到所述后部延伸穿过所述本体，所述管道包括第一开口，在具有第一截面面积的所述本体的前部处；第二开口，在具有第二截面面积的所述本体的后部处；以及具有向前部分的所述管道的中间区域，所述中间区域位于与所述第二开口相比更靠近所述第一开口，所述中间区域具有等于第三截面面积的最小截面面积，并且其中所述第一截面面积和第二截面面积每个都大于所述第三截面面积；以及
第一螺旋桨，定位在所述管道的中间区域中。
10.根据权利要求9所述的高海拔平台，还包括从所述第一截面面积到所述第三截面面积的多个收敛截面面积，其中所述多个收敛截面面积从所述第一截面面积至所述第三截面面积连续地减小。
11.根据权利要求10所述的高海拔平台，还包括从所述第三截面面积到所述第二截面面积的多个发散截面面积，其中所述多个发散截面面积从所述第三截面面积至所述第二截面面积连续地增加。
12.根据权利要求11所述的高海拔平台，其中，所述管道从所述中间区域到所述第二开口的发散角至少约为1.3度。
13.根据权利要求11所述的高海拔平台，还包括太阳能面板，所述太阳能面板与运载器耦接，并且配置成与电能存储器结合以向所述运载器提供电力。
14.根据权利要求13所述的高海拔平台，还包括控制表面，所述控制表面被配置成使所述运载器取向成使得所述前部面向自由流。
15.根据权利要求14所述的高海拔平台，还包括与所述运载器耦接的有效载荷，并包括通信和/或监视系统。
16.根据权利要求11所述的高海拔平台，还包括位于所述管道中在所述第一螺旋桨附近的一个或多个附加螺旋桨，其中所述第一螺旋桨和所述一个或多个附加螺旋桨被配置成使得所述第一螺旋桨和所述一个或多个附加螺旋桨的总角动量在操作时在所述平台上产生净扭矩，所述净扭矩在所述平台的控制系统的控制范围内。
17.根据权利要求11所述的高海拔平台，其中，所述本体由薄壁结构形成，所述薄壁结构具有小于约0.1英寸的平均厚度。
18.一种用轻于空气的飞行器提供持续的高海拔飞行的方法，所述方法包括：
使用至少3,000立方米的轻于空气的气体对薄壁本体进行充气，其中充气的本体具有前部和位于距所述前部距离L的后部，其中当充气时，所述本体在距所述前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度，并且其中管道从所述前部至所述后部延伸穿过所述本体，所述管道中具有一个或多个螺旋桨；
将所述飞行器飞到至少50,000英尺的高度；以及
使所述飞行器取向成使得所述前部面向自由流。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述自由流中操作所述飞行器，使得所述飞行器在至少50,000英尺的高度处相对于地面大体上是静止的。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括保持所述飞行器在至少50,000英尺的高度处静止至少30天。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括使用所述飞行器机载的通信装置进行通信。
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