CN1118414C - 高空飞船的发射 - Google Patents
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Abstract
用于发射可充气的飞船装置(3)使其随后升至高空用作飞船的一种方法，该飞船具有：由可充气的柔韧的容气外壳(5)形成的船体(4)，安装在船体尾部的有效负载(15)和驱动装置(6)，以及用于将有效负载支承在船体中的缆索悬挂装置(26，27)，该有效负载与驱动装置相连接、并在船体的首部或邻近处与船体相连接。该方法包括用比空气轻的气体介质对充气外壳部分充气以使首部充满气体介质并在竖直的发射封闭体(10)内升高以将部分充气的容气外壳定位在发射位置，接着通过竖直封闭体的开放顶部从其发射位置释放部分充气的容气外壳，由此该外壳升高离开竖直封闭体并通过缆索悬挂装置提升有效负载和驱动装置。
Description
技术领域
本发明涉及用于发射随后升至高空用作飞船的充气式飞船装置的一种方法。本发明具体地、并非排它地涉及未载人飞船装置的升空。
背景技术
高空飞船被设计成将巨大的有效负载运载至高空并长时间保持在对地静止的轨道中。但是这样的飞船的设计面临许多挑战，其中一个主要挑战就是实现该飞船的可控制的发射。
高空飞船是构造得相当轻的飞船，其接近地面的运作在除了绝对静止的情况以外都需要有该工具本身所不能提供的推进和控制。由于预测这些静止条件的困难，几乎不可能提供有操作效率的有保证的发射能力。除此之外，挑战还存在于设置完成任务之后用于回收的安全装置。具体讲，难以维持外壳压力系统的运作，该系统保持其内的压力，并由此保持飞船外壳的形状。该外壳压力系统仅需要在该飞船的发射和回收过程中运作，因此在下降和回收之前该系统需要接收冷处理以准备潜在的几年后的运作。如果应用传统的内部小气球“气囊”，由于外壳内的水蒸气的冷冻作用将有效地将气囊粘结在外壳上，该冷处理将使得内部小气球“气囊”不起作用。由于缺乏外壳内部压力和随之发生的结构失败，这将导致在任务的下降阶段会丧失该飞船。
多年来，在气象气球的升空(和回收)中得到了丰富的经验。这些气球在较低的氦气充入状态竖直发射，当它们升至高空时，氦气膨胀，它们由此呈现完全的“热气球”形状。但是这样的气球没有能量供应并随着盛行风有效漂移。这些气球在它们的整个飞行中保持在竖直位置。
发明内容
本发明的目的是提供使高空飞船装置升空的一改进的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于发射可充气的飞船装置使其随后升至高空用作飞船的方法，该飞船具有：由可充气的柔性容气外壳形成的船体，安装在船体尾部的有效负载和驱动装置，以及用于将有效负载支承在船体中的缆索悬挂装置，该有效负载与驱动装置相连接、并在船体首部或邻近处与船体相连接，该方法包括用比空气轻的气体介质对充气外壳部分充气以使首部充满气体介质并在竖直的发射封闭体内升高以将部分充气的容气外壳定位在发射位置，接着通过竖直封闭体的开放顶部从其发射位置释放部分充气的容气外壳，由此该外壳升高离开竖直封闭体并通过缆索悬挂装置提升有效负载和驱动装置。
按照本发明的该方法允许从竖直封闭体可控制地释放飞船装置。该飞船装置可保持在其发射位置准备发射，直到盛行的天气状况适于发射。当飞船装置升高时，容纳容气外壳内的气体介质例如氦气开始膨胀，该外壳呈现较完整的形式。随着飞船的形状开始成型，该飞船的重心开始围绕升力中心转动，最终导致飞船船体转动至能够飞行的姿势。而后该驱动装置开始运作，该飞船就以标准飞船的方式推进和飞行。
该飞船装置的竖直发射比传统的发射过程具有高得多的成功可靠性。该设计集中在一般是带有可移动的顶盖的圆柱形建筑形式的发射站。这样的发射站允许飞船填充气体介质例如氦气，并在不受天气影响的环境下准备升空飞行。依据当地的天气预测，可确定地预计到一个较小的当地天气时间。在指定时刻，将该顶盖缩回，而该飞船装置竖直地升高通过该建筑的顶部。该升高遵循一般的气象气球模式，直到达到“翻转过来”为止，于是，所形成的飞船飞向其运行地点。
较佳地，竖直发射封闭体的顶部设置有可打开的封闭装置，该封闭装置一般是闭合的以保护该封闭体，但在部分充气的容气外壳准备从其发射位置释放时是打开的。
较佳地，容气外壳上升至其发射位置并随之通过竖直发射封闭体的升高过程受到缆索保持装置的限制。该缆索保持装置适当地包括：连接于容气外壳和绞盘装置的多根缆索，以及用来释放限制缆索以控制容气外壳升高的绞盘装置。在提升的驱动装置已升高至竖直发射封闭体的顶部之上以后，适当地释放限制缆索与容气外壳的连接。
适当地，在标准的温度和压力下，容气外壳的全部充气容积中仅有5-10％的容积最初填充有所述气体介质，例如氦气。
较佳地，在标准的温度和压力下，容气外壳的全部充气容积中仅有6-8％的容积最初填充有所述气体介质。
通常，当容气外壳处在其发射位置时，将用于给运行中的飞船供能的太阳能电池装置固定在该容气外壳上。
附图说明
具体参照附图、并仅以示例性地描述本发明的一个实施例，在附图中：
图1是按照本发明的一飞船发射站的侧视图；
图2是图1所示发射站的竖直封闭体的剖视图；
图3是该发射站的一发射垫的放大的视图；
图4至图7是示出飞船装置怎样从发射封闭体竖直发射的视图；以及
图8至图10是示出在飞船上升和其船体膨胀时飞船怎样从竖直位置改变至通常的水平位置的视图。
具体实施方式
在附图中，图1是在一端带有飞船发射站2的一飞船架1的示意图，图2至图10示出该飞船装置怎样从该站发射到高空中的。在运作中，该飞船是未载人的，并具体用于通讯和/或监视的目的。因此需要一个非常高的高度以得到最大的覆盖范围，而又保持在可行的范围内。因为提升气体的总量由高度决定，因此实践的方面限制了飞船的尺寸。该飞船需要能够“超越天气”，即，能够超越对流紊流的影响。对全球大气的研究得出高度的范围是20到22公里(大约65,000-72,000英尺)。因为对地静止的要求，用来驱动飞船的功率取决于自然风速。因为飞船必须在以年为计量单位的一段时期内保持在空中，因此具有最低风力范围的高度是较佳的。对于最常居留的高度，这发生在大约21公里的高度处，并因地理特征而稍有变化。
在图1中，飞船架1和发射站2彼此连接在一起。在该飞船架上示出已被预先充气以进行测试的飞船3。对于实际的应用，仅有少量的氦气或比空气介质轻的其他气体被引入到飞船中，这将在以下讨论。为了发射，该飞船被完全放气并转移至发射站2。示出在图1中的飞船3一般具有175米的长度和48米的直径，并带有大约200,000立方米的容积。该飞船具有用柔性容气外壳5形成的船体4、位于船体4后部的动力单元6、尾鳍7和位于船体前端的竖直提升支承环8。
发射站2包括大约为120米高的一竖直塔10，该竖直塔10具有一机动的可缩回的顶盖11。阶台12以大约6米的间隔定位在该竖直塔的高度上以能够在以下描述的充气过程中接近该飞船。阶台12可通过货物电梯和升降机(图未示)来维护。一可充气的缓冲器13设置在顶部阶台的位置。
图2和图3示出处在放气状态、位于发射站2的底部的发射垫14处的最初发射位置的图1所示的飞船。该发射垫给动力单元6和承载于吊舱(gondola)上的有效负载15提供一实际支承，容气外壳5覆盖在它们上面，如图所示。外壳5的精心布置是需要的，用以确保该织物在发射过程中不会过度受力或损坏。
该外壳的内部是排空的，一组缆索20(见图4和图5)连接在支承环8上并被引导至设置在发射站的地板中的一组例如四个绞盘(图未示)上。
现将氦气(或比空气轻的其他气体)引入到外壳5中。对于65,000英尺的运行高度，在标准的温度和压力下最初引入15,000立方米的氦气，并一般占据充气的船体容积的6-7％。当引入气体时，该外壳的首部向着发射站的顶部升高。该升高是由从绞盘释放的缆索20的张力和升离发射垫的该织物的重量控制的。部分充气的外壳5保持在发射位置(图4和图5)，距发射壳体的顶部大约6米，而主要的有效负载15仍然与发射垫相接触。
在发射位置，太阳电池板30连接在首部之下大约20米处的支承环8上。诸电池板紧密地连接在环绕船体周面的上端处，但却是自由的以悬挂在支承环8上。太阳电池板的过大重量抵消来自绞盘的张力，但在外壳内充分的浮力确保缆索20不会松弛下来。
有效负载15和动力单元6通过中心缆索26被悬挂住，中心缆索26通过吊线缆索27支承在支承环8上。这些缆索具有在发射位置从其取下的松弛部分。
为了从其发射位置发射部分充气的飞船，通过在适当的“最佳升空天气时间”内收回顶盖部分11a和11b来打开顶盖11(见图6)。凸缘或缓冲器13被完全充气。绞盘开始释放缆索20，而有效负载15和动力单元6的重量由中心缆索26和缆索27来承载。有效负载15(一般处在吊舱中)升高离开发射垫，该外壳的其余部分升高至塔10的顶部。最后，从有效负载15至动力单元6的竖直缆索被绷紧(图6)，飞船的全部重量现由部分充气的外壳5中的氦气来承担。假定缆索20的重量小于飞船的静态浮力(这是必须的以允许飞船升至高空)。如果不满足该条件，必须设置小型氦气气球(图未示)以承载缆索20的重量。
随着飞船完全离开发射垫，绞盘快速释放缆索20，从而允许有效负载15(见图7)和动力单元越过塔10的顶部。一旦发生该情况，缆索20(以及支承气球，如果设置的话)从环8上被释放，该飞船攀升至高空。
假设动力单元6一旦离开发射垫14，绞盘能够以大约1米/秒的速度释放缆索。由此从打开顶盖11开始，整个发射过程可在大约4分钟内完成。由于可有信心地对该非常短的时间进行天气预测，例如一般通过定位在该发射站2-3公里处的8个等距的天气预测站来作出，故该非常短的暴露时间可以减小发射危险，。
当飞船向着高空攀升时，它以与天气气球相似的方式“飘动”，有效负载15和动力单元6通过竖直缆索26和缆索27被支承住。该飞船将随着盛行风开始顺风飘移并在未受压的条件下进入和通过急流。当它继续攀升时，随着氦气开始膨胀并占据外壳5的大部分内部容积，船体的形状开始形成(见图8)。这致使浮力的中心向船尾后移，而外壳的顶部开始下垂翻转(见图9)。外壳5的逐渐膨胀致使主吊线悬挂装置40开始拉住吊舱15。因为悬挂装置40的各个缆索具有不同的长度，有效负载15被拉至外壳5的下侧，这与太阳电池板的重量相协作而产生围绕浮力中心的一转动运动，从而致使飞船开始纵倾至倾斜姿态。
随着高度继续增加，外壳5进一步膨胀，并且转动运动开始平衡。设置在浮力中心之前的太阳电池板30被有效负载15和动力单元6抵消。最后，当外壳在大于外部大气压力的内部压力作用下，形成船体4的最终形状。这发生在该飞船接近其超压高度时。在此高度，尾鳍7将竖立，并由于船体4的稳定形式开始起作用，该飞船将象“风向标”一样进入到风中。当达到运行高度时，飞船的气体填充和重量使得能够确保飞船在正确的高度是平衡的，并不会使外壳5的织物过度受力。一旦达到该效果，启动飞行控制系统，从而使飞船以正常的方式飞行至运行位置或测试地点。
从高空的下降是以相反方式运作的。该飞船飞行至完全没有海运/航空航线的海域。例如通过控制的爆炸以爆裂一个小型的固定尺寸的气球来从外壳5中释放少量的氦气。除了关键的方位监控装置以外，停止飞船系统的运行，该飞船开始向着地面下降。当飞船坠落至海中时，由于其表面面积，它将漂浮并仍然将氦气保持在外壳5中。可由用于收回各个部分、更具体地说是有效负载15和动力单元6的一支持船寻回该漂浮的飞船。
对于竖直发射的本系统，有效负载15通过主悬挂缆索和辅助悬挂缆索的系统支承在外壳5中，主悬挂缆索和辅助悬挂缆索相结合，从而足以将有效负载支承在竖直发射高度和最终的水平飞行高度，并在攀升的过程中提供在这些高度之间的自动转移。
所需的较长飞行持续时间决定了选择太阳能电池作为基本的能源。可满足持续时间的仅有的其他能源是原子能，由于不言自明的原因被认为是不可行的。在普通的云层之上运行，太阳能电池在整个白天收集能量。在该期间它们将同时推动飞船并对一可逆的能量储存器储能以在晚间使用。该可逆的能量储存器可以是任何合适的形式，例如飞轮、蓄电池或燃料电池。目前看来燃料电池是可行的办法并被选用在本设计中。因此所提出的具体推动装置是太阳能电池的巨大阵列以在白天提供能量以驱动动力单元6并再生燃料电池的能源。如果选择氢/氧燃料电池，该再生的能量通过电解将水转换为为其组成部分的气体。该能源还将提供有效负载和控制系统所需的所有能量。在晚间推进和其他能量需求是由结合氢气和氧气的燃料电池提供的。因此该电源是一天24小时供应的，以给动力单元6供能，该动力单元6例如是由共轴连接的双高效电动机所驱动的反转推进器。
在高空中，该飞船完全由在飞船系统和地面站之间交换的信号控制。
该飞船容纳有作为其有效负载15的部分的一完整的定位传感器盒。沿所有轴向的定位是通过使用现存的“全球定位系统”(GPS)或惯性方法或雷达装置确定的。定位和运动数据通过遥感勘测装置传送到地面控制站。该地面站接收并破译遥测信号，并以传统飞行器的自动稳定装置和自动导航装置的相同方式分析所需的控制响应。任何正确的控制输入几乎实时地返回给飞船。正确的控制是通过可施加纵向(空气速度)、纵摇高度(用于短期控制)和首摇控制(操纵方向)的锥形转子系统在飞船中完成的。
长期或粗略的高度控制是通过浮力装置自动设置的。将计算最初的氦气充入量，以在额定运行高度该气体将完全占据外壳的容积。因此，竖直高度方面的任何扰动将引起压力、即密度相对外部大气的变化，致使浮力在正确的方面变化以修正误差。当气体响应太阳热能时，该系统自然地导致日间的高度变化，但这处在该系统的长期容差限度内。
Claims (8)
1.用于发射可充气的飞船装置(3)使其随后升至高空用作飞船的一种方法，该飞船具有：由可充气的柔韧的容气外壳(5)形成的船体(4)，安装在船体尾部的有效负载(15)和驱动装置(6)，以及用于将有效负载(15)支承在船体(4)中的缆索悬挂装置(26，27)，所述有效负载(15)与所述驱动装置(6)相连接、并在船体的首部或邻近处与船体相连接，该方法包括用比空气轻的气体介质对所述充气外壳(5)部分充气以使所述首部充满所述气体介质并在竖直的发射封闭体(10)内升高以将部分充气的容气外壳(5)定位在发射位置，接着通过竖直封闭体的开放顶部从其发射位置释放部分充气的容气外壳(5)，由此该外壳升高离开竖直封闭体(10)并通过缆索悬挂装置提升有效负载(15)和驱动装置(6)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：当部分充气的容气外壳(5)准备从其发射位置释放时，位于竖直发射封闭体(10)的顶部的通常闭合的封闭装置(11)被打开。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：容气外壳(5)升高至发射位置并随之通过竖直发射封闭体(10)的开放顶部的过程受到缆索保持装置(20)的限制。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：外壳(5)的升高受到从绞盘释放的限制缆索(20)的控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在升高的驱动装置(6)已越过竖直发射封闭体(10)的顶部之后，释放限制缆索(20)与外壳(5)的连接。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在标准的温度和压力下，容气外壳(5)的全部充气容积中仅有5-10％的容积最初填充有所述气体介质。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在标准的温度和压力下，容气外壳(5)的全部充气容积中仅有6-8％的容积最初填充有所述气体介质。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在容气外壳(5)处在其发射位置时，用于给运行中的飞船供能的太阳能电池装置(30)被固定在容气外壳(5)上。
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