CN113386940B - 飞艇及其长时浮空能力保持方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种飞艇及其长时浮空能力保持方法，飞艇包括飞艇囊体和底部的吊舱，吊舱内设置有彼此连通的可再生燃料电池和水箱，水箱上设置有与飞艇外的加注机连通的注水口，飞艇囊体上设置有太阳能电池，囊体内部设置有氢气储气囊，太阳能电池与可再生燃料电池电连接，可再生燃料电池能够利用太阳能电池提供的电能将加注机提供的水电解为氢气补充至氢气储气囊。本发明的飞艇能够通过电解水的方式为飞艇囊体补充氢气，以此减少飞艇囊体内出现气体不足的现象，同时，在飞艇内水量不足的情况下，还可以通过飞艇外的加注机进行空中补水，以此提高飞艇的续航能力，降低飞艇的补给难度。

Description

飞艇及其长时浮空能力保持方法
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种飞艇及其长时浮空能力保持方法。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
平流层飞艇能够在平流层高度(≥18km)长期驻空，并可以利用太阳能电池与储能电池组成循环能源系统，实现长时间的航行。在军事方面，平流层飞艇可以执行情报/监视/侦察任务；在民用方面，它能够作为通信中继，进行环境监测、信息收集、电信/电视服务等工作，具有飞行高度范围大、覆盖范围广等优点；相比人造卫星和固定翼太阳能飞行器具有更大的载荷能力和更宽裕的能量平衡达成条件。
要实现长期驻留和可控飞行，平流层飞艇需要实现能量平衡、浮重平衡和推阻平衡。能量平衡主要是对能源系统的要求，平流层飞艇的能源系统通常设计为在囊体上部铺设太阳能电池板，组成太阳能电池阵列，进行太阳能到电能的转换以供白天飞行，并可以把多余的电能通过储能电池储存起来供夜晚飞行，以此实现能量平衡。得益于平流层飞艇较大的载荷能力，更大的储能电池和更大面积的太阳能电池板为飞艇实现昼夜能量平衡带来更大的设计裕度。推阻平衡指平流层飞艇的推进系统在能量平衡的限制下能够实现任务需要的航线或驻留飞行。而浮重平衡就是飞艇通过自身的浮力保持高度。
没有骨架支持的平流层飞艇要想实现浮重平衡，就需要长时间的浮力保持能力和外形保持能力，其囊体需要维持内外气体压差在一定范围内，否则外形无法保持，飞艇的运动不再可控，无法继续完成驻空任务。压差会引起浮升气体有向外泄露的趋势，且囊体本体较大，表面积和不均匀的可能性也较大，长期驻空时很难保持永久的气密功能，长期来看气体渗漏很难避免，为长时驻空带来了挑战。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足提出的一种飞艇，本发明的飞艇能够通过电解水的方式为飞艇囊体补充氢气，以此减少飞艇囊体内出现气体不足的现象，同时，在飞艇内水量不足的情况下，还可以通过飞艇外的加注机进行空中补水，以此提高飞艇的续航能力，降低飞艇的补给难度。该目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的第一方面提供了一种飞艇，飞艇包括飞艇囊体和底部的吊舱，吊舱内设置有彼此连通的可再生燃料电池和水箱，水箱上设置有与飞艇外的加注机连通的注水口，飞艇囊体上设置有太阳能电池，飞艇囊体的内部设置有氢气储气囊，太阳能电池与可再生燃料电池电连接，可再生燃料电池能够利用太阳能电池提供的电能将加注机提供的水电解为氢气补充至氢气储气囊。
优选地，氢气储气囊与可再生燃料电池之间设置为双向管，氢气储气囊内的氢气能够通过双向管返回至可再生燃料电池。
优选地，氢气储气囊上设置有供氢阀和泄氢阀，供氢阀与可再生燃料电池连接，泄氢阀与飞艇囊体连通。
优选地，飞艇囊体上还设置有与可再生燃料电池连接的氧气储气囊，可再生燃料电池电解水产生的氧气能够补充至氧气储气囊。
优选地，氧气储气囊与可再生燃料电池之间设置为双向管，氧气储气囊内的氧气能够通过双向管返回至可再生燃料电池。
优选地，氧气储气囊与上设置有供氧阀和泄氧阀，供氧阀与可再生燃料电池连接，泄氧阀与外界大气连通。
优选地，飞艇还包括设置于吊舱内的变换器，太阳能电池通过变换器与可再生燃料电池电连接。
优选地，飞艇还包括设置于吊舱内的用电设备，太阳能电池通过变换器与用电设备电连接和/或可再生燃料电池与用电设备电连接。
本发明的第二方面提供了一种飞艇长时浮空能力保持方法，飞艇长时浮空能力保持方法由本发明的第一方面的飞艇来实施，飞艇长时浮空能力保持方法包括：控制飞艇在有日光的情况下将太阳能电池与飞艇的可再生燃料电池电连接；控制飞艇的水箱内的水通入可再生燃料电池，可再生燃料电池利用太阳能电解水生成氧气和氢气并分别通入氧气储气囊和氢气储气囊；控制飞艇在无日光的情况下将可再生燃料电池与飞艇的用电设备连接，可再生燃料电池利用氧气储气囊中的氧气和氢气储气囊中的氢气反应发电并为用电设备供电。
优选地，飞艇长时浮空能力保持方法还包括：获取飞艇的飞艇囊体内的实时压差；根据实时压差小于预设压差，控制氢气储气囊向飞艇囊体内通入氢气，直到实时压差不小于预设压差。
本领域技术人员能够理解的是，本发明提出了一种适用于太阳能飞艇的空中补给方式，可再生燃料电池利用加注机补充的水生成氢气实现对飞艇囊体的气体补充，从而实现飞艇在能量平衡的基础上的超长航时驻空。具体地，飞艇需要长时间保持飞艇囊体的压差才能实现稳定的可控驻留，在空中对浮升气体进行补充对增加驻空时间有重大意义，但是直接进行气体补充技术难度较大、实现复杂以及对接气密性要求高。本发明提出的飞艇采用可再生燃料电池实现空中补充氢气，进一步地，可通过较成熟的空中加油类似技术补充水，相比于直接补气技术有较为成熟的参考方案，实现难度较低。
本发明的目的在于采用可再生燃料电池，利用太阳能电池将光能转化电能，然后变为氢气的化学能，产生氢气并补充到飞艇囊体中，补充飞艇的浮升气体并维持压差。进一步地，可通过无人驾驶的加注机结合空中加油技术或子母机空中回收技术为可再生燃料电池补充液态物料，以此解决飞艇在长期驻空时的浮升气体渗漏问题，增加飞艇的长期驻空能力。
本发明提供的飞艇长时浮空能力保持方法，能够在实现能量平衡、浮重平衡、推阻平衡后，进一步延长飞艇的驻空能力，通过可再生燃料电池产生氢气作为浮升气体，结合能源系统和补气需求，不需要直接利用外来气体来源补气，以此降低对接口的要求，通过加注机携带水箱为可再生燃料电池补水，达到对消耗物料的补充，进一步增加了飞艇的长期驻空能力。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明一个实施例的飞艇的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的飞艇长时浮空能力保持方法的流程图。
图中标号说明：
100、飞艇；101、飞艇囊体；102、吊舱；
10、太阳能电池；20、可再生燃料电池；30、水箱；31、对接口；40、用电设备；50、DC/DC变换器；60、氢气储气囊；61、供氢阀；62、泄氢阀；70、氧气储气囊；71、供氧阀；72、泄氧阀；
200、加注机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，本发明通过飞艇阐述本发明的技术方案只是一个优选实施例，并不是对本发明技术方案的限制，例如，本发明的技术方案还可以应用于其他类似的飞行器，这种调整并不偏离本发明技术方案的保护范围。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和/或它们的组合。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三、第四、第五和第六等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或比段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。另外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“顶”、“侧”、“上”、“下”、“内”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1所示，本发明的第一方面提供了一种飞艇100，飞艇100包括飞艇囊体101和底部的吊舱102，吊舱102内设置有彼此连通的可再生燃料电池20和水箱30，水箱30上设置有与飞艇100外的加注机200连通的注水口，飞艇囊体101上设置有太阳能电池10，飞艇囊体101的内部设置有氢气储气囊60，太阳能电池10与可再生燃料电池20电连接，可再生燃料电池20能够利用太阳能电池10提供的电能将加注机200提供的水电解为氢气补充至氢气储气囊60。
根据本发明的一个实施例，氢气储气囊60与可再生燃料电池20之间设置为双向管，氢气储气囊60内的氢气能够通过双向管返回至可再生燃料电池20。具体地，飞艇囊体101的上方布设太阳能电池10组成的太阳能电池10阵列和相应的供电线缆，飞艇囊体101的下方布设吊舱102，飞艇囊体101的内部设置有氧气储气囊70和氢气储气囊60的位置。
在本实施例中，在白天时，可再生燃料电池20利用太阳能电解水生成的氢气通过双向管中的供氢管通入氢气储气囊60，在晚上时，氢气储气囊60中的氢气通过双向管中的回氢管通入可再生燃料电池20中，可再生燃料电池20利用氢气与可再生燃料电池20中的氧气化学反应发电并为飞艇100的用电设备40供电。
根据本发明的一个实施例，氢气储气囊60上设置有供氢阀61和泄氢阀62，供氢阀61与可再生燃料电池20连接，泄氢阀62与飞艇囊体101连通。
在本实施例中，当可再生燃料电池20与氢气储气囊60之间互通氢气时，供氢阀61打开，当可再生燃料电池20与氢气储气囊60之间不需要互通氢气时，供氢阀61断开，当飞艇囊体101内的压差不足时，需要向飞艇囊体101内补充氢气时，氢气储气囊60上的泄氢阀62打开，氢气储气囊60通过泄氢阀62向飞艇囊体101内补充氢气。
根据本发明的一个实施例，飞艇囊体101的内部还设置有与可再生燃料电池20连接的氧气储气囊70，可再生燃料电池20电解水产生的氧气能够补充至氧气储气囊70。
在本实施例中，在可再生燃料电池20利用太阳能电解水生成氢气的过程中还会生成氧气，电解水生成的氧气通入氧气储气囊70内储存起来备用。
根据本发明的一个实施例，氧气储气囊70与可再生燃料电池20之间设置为双向管，氧气储气囊70内的氧气能够通过双向管返回至可再生燃料电池20。
在本实施例中，在白天时，可再生燃料电池20利用太阳能电解水生成的氧气通过双向管中的供氧管通入氧气储气囊70，在晚上时，氧气储气囊70中的氧气通过双向管中的回氧管通入可再生燃料电池20中，可再生燃料电池20利用氧气与可再生燃料电池20中的氢气化学反应发电并为用电设备40供电。
根据本发明的一个实施例，氧气储气囊70上设置有供氧阀71和泄氧阀72，供氧阀71与可再生燃料电池20连接，泄氧阀72与外界大气连通。
在本实施例中，当可再生燃料电池20与氧气储气囊70之间互通氧气时，供氧阀71打开，当可再生燃料电池20与氧气储气囊70之间不需要互通氧气时，供氧阀71断开，当氧气储气囊70的气压过大超过压力限值时，氧气储气囊70上的泄氧阀72打开，氧气储气囊70通过泄氧阀72向外界大气排放氧气。具体地，泄氧阀72穿过飞艇囊体101使得氧气储气囊70能够可以与外界大气连通。
根据本发明的一个实施例，飞艇100还包括设置于吊舱102内的变换器50，太阳能电池10通过变换器50与可再生燃料电池20电连接。进一步地，飞艇100还包括设置于吊舱102内的用电设备40，太阳能电池10通过变换器50与用电设备40电连接和/或可再生燃料电池20与用电设备40电连接。
在本实施例中，太阳能电池10在白天时为飞艇100的用电设备40和可再生燃料电池20的电解功能提供能量，变换器50优选为DC/DC变换器50，太阳能电池10将光能转化为电能，通过DC/DC变换器50，使太阳能电池10工作点位于最大功率点处，并把电能转化为合适的电压，为用电设备40和可再生燃料电池20的电解功能供电。
具体地，DC/DC变换器50具备最大功率点追踪、稳压控制、限流功能，在白天时调整用电设备40的负载使得太阳能电池10工作在最大功率点，并通过稳压功能为用电设备40供电，通过限流功能为可再生燃料电池20充电。
本发明提出了一种适用于太阳能飞艇100的空中补给方式，可再生燃料电池20利用加注机200补充的水生成氢气实现对飞艇囊体101的气体补充，从而实现飞艇100在能量平衡的基础上的超长航时驻空。具体地，飞艇100需要长时间保持飞艇囊体101的压差才能实现稳定的可控驻留，在空中对浮升气体进行补充对增加驻空时间有重大意义，但是直接进行气体补充技术难度较大、实现复杂以及对接气密性要求高。本发明提出的飞艇100采用可再生燃料电池20实现空中补充氢气，进一步可通过较成熟的空中加油类似技术补充水，相比于直接补气技术有较为成熟的参考方案，实现难度较低。
本发明的目的在于采用可再生燃料电池20，利用太阳能电池10将光能转化电能，然后变为氢气的化学能，产生氢气并补充到飞艇囊体101中，补充飞艇100的浮升气体并维持压差。进一步地，可通过无人驾驶的加注机200结合空中加油技术或子母机空中回收技术为可再生燃料电池20补充液态物料，以此解决飞艇100在长期驻空时的浮升气体渗漏问题，增加飞艇100的长期驻空能力。
本发明提供的飞艇长时浮空能力保持方法，能够在实现能量平衡、浮重平衡、推阻平衡后，进一步延长飞艇100的驻空能力，通过可再生燃料电池20产生氢气作为浮升气体，结合能源系统和补气需求，不需要直接利用外来气体来源补气，以此降低对接口31的要求，通过加注机200携带水箱30为可再生燃料电池20补水，达到对消耗物料的补充，进一步增加了飞艇100的长期驻空能力。
如图1和图2所示，本发明的第二方面提供了一种飞艇长时浮空能力保持方法，飞艇长时浮空能力保持方法由本发明的第一方面的飞艇100来实施，飞艇长时浮空能力保持方法包括：S10、控制飞艇100在有日光的情况下将太阳能电池10与飞艇100的可再生燃料电池20电连接；S20、控制飞艇100的水箱30内的水通入可再生燃料电池20，可再生燃料电池20利用太阳能电解水生成氧气和氢气并分别通入氧气储气囊70和氢气储气囊60；S30、控制飞艇100在无日光的情况下将可再生燃料电池20与飞艇100的用电设备40连接，可再生燃料电池20利用氧气储气囊70中的氧气和氢气储气囊60中的氢气反应发电并为用电设备40供电。
需要说明的是，上述步骤之间的顺序只是本申请的优选实施例，并不是对本申请的飞艇长时浮空能力保持方法的限制，在不矛盾的情况下，上述步骤之间的顺序还可以进行适当调整，在此不进行详细阐述。
进一步地，根据本发明的一个实施例，飞艇长时浮空能力保持方法还包括：获取飞艇100的飞艇囊体101内的实时压差；根据实时压差小于预设压差，控制氢气储气囊60向飞艇囊体101内通入氢气，直到实时压差不小于预设压差。其中，预设压差根据飞艇100的性能而定，具体数值在此不进行赘述。
下面详细阐述本申请的飞艇长时浮空能力保持方法具体实施方式，本申请的飞艇长时浮空能力保持方法适用于平流层飞艇100的空中补给，下面通过白天、夜晚和补给三个状态详细说明。
在白天时，太阳能电池10将光能转化为电能，通过DC/DC变换器50，使太阳能电池10工作点位于最大功率点处，并把电能转化为合适的电压，为用电设备40和可再生燃料电池20的电解功能供电，把水箱30中的水电解为氢气和氧气分别通过供氢阀61和供氧阀71储存在氢气储气囊60和氧气储气囊70中，氢气储气囊60和氧气储气囊70的压力也相应增加。
夜晚时，不再有太阳辐照，供氢阀61和供氧阀71分别从氢气储气囊60和氧气储气囊70中为可再生燃料电池20提供燃料，氢气和氧气在可再生燃料电池20反应生成水并储存在水箱30中，同时产生电能为用电设备40供电。
在长期飞行过程中，检测到飞艇囊体101的压差处于较低状态时(通常在夜晚温度较低时)，在第二天的白天氢气储气囊60储存较多的氢气，此时氢气储气囊60通过泄氢阀62将氢气排放到飞艇囊体101中，增加飞艇囊体101的压差；之后水箱30与氢气储气囊60中的总氢含量会下降，可以依靠加注机200通过补水的对接口31为水箱30加水，维持整体氢含量；在若干次加注水和补气后，水箱30与氧气储气囊70中的总氧含量一直上升，氧气储气囊70的压差会处于较高状态，可以通过泄氧阀726排放氧气于外界大气中实现氧气储气囊70的泄压。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种飞艇，其特征在于，所述飞艇包括飞艇囊体和底部的吊舱，所述吊舱内设置有彼此连通的可再生燃料电池和水箱，所述水箱上设置有与飞艇外的加注机连通的注水口，所述飞艇囊体上设置有太阳能电池，所述飞艇囊体的内部设置有氢气储气囊，所述太阳能电池与所述可再生燃料电池电连接，所述可再生燃料电池能够利用所述太阳能电池提供的电能将所述加注机提供的水电解为氢气补充至所述氢气储气囊；
所述飞艇囊体上还设置有与所述可再生燃料电池连接的氧气储气囊，所述可再生燃料电池电解水产生的氧气能够补充至所述氧气储气囊；
所述飞艇长时浮空能力保持方法包括：
控制所述飞艇在有日光的情况下将太阳能电池与所述飞艇的可再生燃料电池电连接；
控制所述飞艇的水箱内的水通入所述可再生燃料电池，所述可再生燃料电池利用太阳能电解水生成氧气和氢气并分别通入氧气储气囊和氢气储气囊；
控制所述飞艇在无日光的情况下将所述可再生燃料电池与所述飞艇的用电设备连接，所述可再生燃料电池利用所述氧气储气囊中的氧气和所述氢气储气囊中的氢气反应发电并为所述用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述氢气储气囊与所述可再生燃料电池之间设置为双向管，所述氢气储气囊内的氢气能够通过双向管返回至所述可再生燃料电池。
3.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述氢气储气囊上设置有供氢阀和泄氢阀，所述供氢阀与所述可再生燃料电池连接，所述泄氢阀与所述飞艇囊体连通。
4.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述氧气储气囊与所述可再生燃料电池之间设置为双向管，所述氧气储气囊内的氧气能够通过双向管返回至所述可再生燃料电池。
5.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述氧气储气囊上设置有供氧阀和泄氧阀，所述供氧阀与所述可再生燃料电池连接，所述泄氧阀与外界大气连通。
6.根据权利要求1所述的飞艇，其特征在于，所述飞艇还包括设置于所述吊舱内的变换器，所述太阳能电池通过所述变换器与所述可再生燃料电池电连接。
7.根据权利要求6所述的飞艇，其特征在于，所述飞艇还包括设置于所述吊舱内的用电设备，所述太阳能电池通过所述变换器与所述用电设备电连接和/或所述可再生燃料电池与所述用电设备电连接。
8.一种飞艇长时浮空能力保持方法，其特征在于，所述飞艇长时浮空能力保持方法由权利要求1至7中任一项所述的飞艇来实施，所述飞艇长时浮空能力保持方法包括：
控制所述飞艇在有日光的情况下将太阳能电池与所述飞艇的可再生燃料电池电连接；
控制所述飞艇的水箱内的水通入所述可再生燃料电池，所述可再生燃料电池利用太阳能电解水生成氧气和氢气并分别通入氧气储气囊和氢气储气囊；
控制所述飞艇在无日光的情况下将所述可再生燃料电池与所述飞艇的用电设备连接，所述可再生燃料电池利用所述氧气储气囊中的氧气和所述氢气储气囊中的氢气反应发电并为所述用电设备供电。
9.根据权利要求8所述的飞艇长时浮空能力保持方法，其特征在于，所述飞艇长时浮空能力保持方法还包括：
获取所述飞艇的飞艇囊体内的实时压差；
根据所述实时压差小于预设压差，控制所述氢气储气囊向所述飞艇囊体内通入氢气，直到所述实时压差不小于所述预设压差。
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