CN113511324A - 具有局部气囊的平流层提升系统 - Google Patents

Abstract

公开了具有局部气囊的平流层提升系统。本发明涉及一种可变提升装置(1)，其特征在于，该可变提升装置(1)包括：容纳空气的加压密闭壳体(2)；设置在所述加压密闭壳体(2)内部的第一密闭气囊(3)，所述第一密闭气囊(3)容纳密度低于空气密度的加压气体，所述第一密闭气囊(3)包括用于对所述第一密闭气囊(3)进行穿孔的穿孔装置。

Description

具有局部气囊的平流层提升系统

技术领域

本发明涉及可变提升装置的领域，该可变提升装置使用比空气轻的气体升高到大气中。更具体地，本发明涉及可变提升装置的提升和上升飞行阶段策略，该可变提升装置设有一个用于存储加压空气的储罐和另一个用于存储比空气轻的加压气体(例如，氦、氖、甲烷、乙烷和氢气)的储罐。在下文中，密度低于空气密度的气体将被称为提升气体。

背景技术

可变提升装置可以解释为具有加压柔性外壳(jacket)的平流层飞船平台(被称为“飞艇”)。

传统上，在起飞阶段，可变提升装置主要以空气来填充，提升气体与空气是分开的，并且占用了小于20％的体积。在上升阶段，空气被排出，并且提升气体膨胀以填充可变提升装置的所有体积。

当前，该上升阶段可以通过三种方式达成：

-放气提升技术(deflated lift technique)，该放气提升技术提供了以下可变提升装置，该可变提升装置在起飞时仅包含提升气体。由于没有空气储罐，可变提升装置的总重量大大减少。该方法在气象学领域特别受欢迎。然而，放气提升方法不适用于在外壳上包括设备(例如，发动机或太阳能发电机)的可变提升装置，所述设备需要固定系统的相对刚性的支承件。

-空气气囊法(air ballonet method)，该空气气囊法提供了以下可变提升装置，该可变提升装置设有旨在包含提升气体的主外壳以及包含在该主外壳内部的旨在包含空气的密闭气囊。在上升阶段，密闭气囊将其所包含的空气排空到外部环境中，并且提升气体膨胀，因此占据了密闭气囊释放的体积。但是，由于可变提升装置必须包含两个储罐，因此空气气囊法是相对重的方法。另外，该方法还存在某些风险，例如，在密闭气囊中有泄漏的情况下空气会污染提升气体的风险，或者甚至是在存在未固定在主外壳上的空密闭气囊的情况下扰乱操纵性(manoeuvrability)的风险。

-提升气体气囊法(lift gas ballonet method)，该提升气体气囊法提供了以下可变提升装置，该可变提升装置设有旨在包含空气的主外壳以及包含在该主外壳内部的旨在包含提升气体的密闭气囊。然而，已经出现了该可变提升装置的布局问题，并且可以指出一些风险，例如与密闭气囊可能损坏相关的泄漏的风险。尽管该方法在航空领域受到欢迎，但与空气气囊法一样，它仍然是一种相对重的方法。

发明内容

本发明目的在于通过提出一种可变提升装置来减轻上述全部或一些问题，该可变提升装置包括旨在包含空气的主外壳以及被包含在该主外壳中的旨在包含提升气体的一个或两个密闭气囊。在使用两个密闭气囊的情况下，它们被流体地连接到彼此，以便允许提升气体的交换。

为此，本发明的主题是一种可变提升装置，其特征在于，所述可变提升装置包括：

-加压密闭壳体，加压密闭壳体容纳空气；

-第一密闭气囊，第一密闭气囊设置在加压密闭壳体的内部，第一密闭气囊容纳密度低于空气密度的加压气体，第一密闭气囊包括用于对第一密闭气囊进行穿孔的穿孔装置。

根据本发明的一个方面，该可变提升装置包括第二密闭气囊，该第二密闭气囊设置在加压密闭壳体内部并流体地连接至第一密闭气囊。

根据本发明的一个方面，加压密闭壳体包括船头，并且第一密闭气囊抵靠加压密闭壳体的船头的内面设置。

根据本发明的一方面，加压密闭壳体包括顶表面，并且第二密闭气囊抵靠加压密闭壳体的顶表面设置。

根据本发明的一方面，密闭壳体包括船尾，并且至少一个排气阀抵靠加压密闭壳体的船尾设置。

根据本发明的一个方面，第一密闭气囊由塑料材料制成。

根据本发明的一个方面，加压密闭壳体包括用于第一密闭气囊的缩回装置，并且用于第一密闭气囊的缩回装置包括与加压密闭壳体的船头的内面直接接触的卷绕器，用于第一密闭气囊的缩回装置包括有线连接件，有线连接件的第一端e1与卷绕器接触，并且第二端e2与第一密闭气囊接触。

根据本发明的一个方面，该可变提升装置沿第一纵向轴线A1延伸，并且包括抵靠该可变提升装置设置的附加倾斜装置。

根据本发明的一个方面，该附加倾斜装置具有沿纵向轴线A1从平衡位置P1到缩回位置P2的横向移动性。

根据本发明的一个方面，用于对第一密闭气囊进行穿孔的穿孔装置是使用控制器来致动的。

根据本发明的一个方面，第一密闭气囊是能够更换的。

附图说明

通过阅读以示例方式给出的实施方式的详细描述，将更好地理解本发明并且其它优点将显现，该描述由附图例示，其中：

图1表示根据本发明的可变提升装置的示意图；

图2表示根据本发明的可变提升装置在上升阶段开始时的示意图；

图3表示根据本发明的可变提升装置在提前的上升阶段的示意图；

图4表示根据本发明的变型的可变提升装置的示意图；

图5表示根据本发明的用于可变提升装置内部的第一密闭气囊的缩回装置的示意图。

为清楚起见，在不同的附图中相同的元件将具有相同的附图标记。

具体实施方式

在本说明书中，术语“提升气体”表示密度低于空气密度的任何气体。作为示例，它可以是氦、氖、甲烷、乙烷或氢。

在本说明书中，术语“船头(bow)”可以被解释成可变提升装置的鼻部或前面。相反，术语“船尾(stern)”表示可变提升装置的尾部或后面。

图1表示根据本发明的可变提升装置1的实施方式的示意图。在航空领域，与可变提升装置的整体质量有直接联系的重量是飞行员必须抵抗的力量之一。对于可变提升装置的上升阶段更是如此。

根据本发明的可变提升装置1由密闭外壳2组成。该密闭壳体2完全充满了空气。此外，密闭壳体2包括设置在密闭壳体2内部的第一密闭气囊3和第二密闭气囊4，从而容纳加压的提升气体。第一密闭气囊3抵靠密闭壳体2的船头5的内面52设置。实际上，可变提升装置1包括船头5和船尾6，船头5可以被限定成在空气流的流动方向(即，平行于可变提升装置的纵向轴线A1)上的前部部分，船尾6可以被限定成与拉动方向相反的部分，或者换言之，是在被视为平行于纵向轴线A1的空气流的流动方向上的后部。因此，第一密闭气囊3抵靠船头5的内面52并且在密闭壳体2的内部设置。第二密闭气囊4抵靠密闭壳体2的顶表面22设置。

设置在密闭壳体2内部的第二密闭气囊4与第一密闭气囊3流体地连接。事实上，接合部32确保了第一密闭气囊3与第二密闭气囊4之间的流体连接。以这种方式，包含在第二密闭气囊4中的提升气体可以通过该接合部32流至第一密闭气囊3。

第一密闭气囊3和第二密闭气囊4各自具有一定体积的压缩提升气体，在平流层压力和温度条件下，将允许体积比要填充的密闭壳体2的体积稍大。

此外，在船尾6处设置有至少一个排气阀62。该排气阀62允许将密闭壳体2内部包含的空气排到可变提升装置1外部的环境中。

最后，在有利的实施方式中，可变提升装置1可以包括抵靠可变提升装置1设置的附加倾斜装置7。更具体地，附加倾斜装置7在可变提升装置1外部抵靠密闭壳体2的底表面24放置。该附加倾斜装置7包括抵靠密闭壳体2的底表面24固定并沿纵向轴线A1延伸的位移轨道72以及可以沿位移轨道72移位的倾斜质量件74。因此，倾斜质量件74具有沿纵向轴线A1的移动自由度。因此，通过沿纵向轴线A1的该移动自由度，附加倾斜装置7允许对可变提升装置1的纵倾角(trim angle)(即，水平面与可变提升装置1的纵向轴线A1之间的角度)进行控制。

因此，如图1所示，当不需要影响可变提升装置1的纵倾角时，附加倾斜装置7处于平衡位置P1。在该平衡位置P1中，可变提升装置1的整体质心居中，并且将可变提升装置1保持在水平面中。

在可变提升装置1起飞之前的阶段期间，仅第二密闭气囊4被填充有压缩体积的提升气体。因此，第一密闭气囊3是部分空的。事实上，这允许可变提升装置1水平地稳定在地面上。

当发生起飞且开始上升时，如图2所示，可变提升装置1被竖直地放置。通过使可变提升装置1的质心相对于可变提升装置1的体积中心朝向更缩回的位置倾斜，并因此通过从如图1所示的所谓的水平位置切换到如图2所示的竖直位置来创建可变提升装置1的下载(download)。然后，在竖直位置，船头5指向上升方向，该上升方向是可变提升装置1的升高方向，而船尾6指向相反的方向，即朝向地面。此外，纵向轴线A1也进行顺时针旋转，以便与上升方向平行且在相同方向上。

此外，为了促进将可变提升装置1放置于竖直位置中的过程，附加倾斜装置7然后从平衡位置切换到缩回位置。实际上，如上所述，附加倾斜装置7具有沿纵向轴线A1的横向移动性。因此，倾斜质量件74在位移轨道72上滑动，以允许附加倾斜装置7从平衡位置P1切换到图2中所示的缩回位置P2。该缩回位置P2通过改变其位置来影响可变提升装置1的整体质心。实际上，质心沿横向轴线A1朝向船尾6向后移动，这促进了可变提升装置1的竖直定位。实际上，包含在第二密闭气囊4中的提升气体流经接合部32，以便被定位在第一密闭气囊3中。从可变提升装置1起飞开始，第二密闭气囊4包含的提升气体越来越少，这对第一密闭气囊3有利。此外，一旦被包含在第一密闭气囊3中，提升气体会由于提升装置1的高度的升高而膨胀，并且增加了第一密闭气囊3的体积。第一密闭气囊3由可变形材料(例如，塑料或其他弹性体类型)制成。更具体地，第一密闭气囊3的壁由塑料材料制成。

第一密闭气囊3的体积增加意味着密闭壳体2内部所包含的空气体积减小。现在，为了保持可变提升装置1内部的控制超压水平，排气阀62排出空气。此外，这种对密闭壳体2中包含的空气的排出引起密闭壳体2中的空气重量减轻，这允许可变提升装置1经由浮力而升高。

然后，这由可变提升装置1的逐渐上升阶段反映出来。

因此，随着可变提升装置1的上升，包含在第一密闭气囊3中的提升气体膨胀，这引起第一密闭气囊3的体积增加。现在，为了保持密闭壳体2的恒定体积，密闭壳体2中包含的空气体积因此必须减小。因此，排气阀62在可变提升装置1的整个上升阶段不断排出密闭壳体2中包含的空气。

以该方式，包含在密闭壳体2中的空气体积减小，这对第一密闭气囊3的体积有利。

包含在密闭壳体2中的空气体积减少与第一密闭气囊3的体积增加并行地持续，直到第一密闭气囊3开口为止，如图3所示。选择第一密闭气囊3的尺寸，使其开口是在最湍流上升阶段之后发生。因此，第一密闭气囊3的开口可以例如在上升到一半时发生，或者甚至当外部压力相对于地面上的压力已经被除以3时发生，或者甚至当可变提升装置1已经穿过大多数湍流时发生。有利地，一旦可变提升装置1是在地面上，则第一密闭气囊3是能够更换的气囊，也就是说，当第一密闭气囊3开口时，其可以被另一密闭气囊所替换。这不适用于第二密闭气囊4，它是一个永久密闭气囊。

实际上，第一密闭气囊3包括穿孔装置34，该穿孔装置34用于对第一密闭气囊3进行穿孔，从而允许第一密闭气囊3开口并且将提升气体释放到密闭壳体2中。优选地，用于使第一密闭气囊3穿孔的穿孔装置34可以是由包含在第一密闭气囊3中的提升气体膨胀而生成的内部压力。由于由提升气体膨胀而生成的内部压力持续增加，因此达到第一密闭气囊3的弹性极限，并且可以观察到第一密闭气囊3的开口36。用于对第一密闭气囊3进行穿孔的穿孔装置34可以是使用控制器致动的机械装置，例如，包括针或锐利刀片的装置。

然后，密闭壳体2中包含的体积不再仅充满空气，而是被分成三个体积。第一体积V1表示仍包含在密闭壳体2中的空气的体积。由于空气的密度大于提升气体的密度，所以该第一体积V1位于密闭壳体2中沿纵向轴线A1的最低点(在船尾6处)。有利地，由于排气阀62抵靠密闭壳体2的船尾6设置，所以随着可变提升装置1的上升，可以排出第一体积V1的空气。第二体积V2表示通过开口34从第一密闭气囊3释放的提升气体的体积。实际上，尽管第一密闭气囊3是开口的，但是所包含的提升气体继续膨胀。因此，第二体积V2随着可变提升装置1的上升而增加，从而作用于必须通过排出阀62排出的第一体积V1的空气上。由于提升气体的密度低于空气的密度，因此第二体积V2自然地位于船头5处，在该船头5处，第一密闭气囊3最初包含提升气体。最后，将第三体积V3插入第一体积V1的空气与第二体积V2的提升气体之间。第三体积表示从第一密闭气囊3释放的提升气体与最初包含在密闭壳体2中的空气的混合物。

在可变提升装置1的整个上升过程中，第二体积V2的提升气体随着提升气体的膨胀而增加，而第一体积V1随着排气阀62排出第一体积V1中包含的空气而减少。

此外，在本发明的另一个实施方式中，密闭壳体2包括用于图5所示的第一密闭气囊3的缩回装置26。缩回装置26允许开口的第一密闭气囊3贴靠密闭壳体2的船头5的内面52。以这种方式，第一密闭气囊3抵靠船头5的内面52固定，并且不会在密闭壳体2中移位(这可能会对可变提升装置1的操纵性造成风险)。此外，第一密闭气囊3抵靠船头5的内面52缩回允许最初包含在第一密闭气囊3中的所有提升气体被释放到密闭壳体2中。

如图3所示，竖直上升持续到第一体积V1和第三体积V3被完全排出为止，也即，到密闭壳体2仅包含膨胀的提升气体时为止。当密闭壳体2仅包含第二体积V2的提升气体时，可变提升装置1的质心重新居中，并且然后可变提升装置1从图3所示的竖直位置切换到图1所示的水平位置。

为了便于可变提升装置1的逆时针旋转，附加倾斜装置7从图3所示的缩回位置P2切换到图1所示的平衡位置P1。以这种方式，可变提升装置1的整体质心返回其平衡位置，并且可变提升装置1切换回到水平面。

可变提升装置1不必使用附加倾斜装置7从图3所示的竖直位置切换到图1所示的水平位置。实际上，仅填充有提升气体的可变提升装置1将自然地恢复到水平面上的平衡位置。然而，附加倾斜装置7可以被视为确保将可变提升装置1正确放置在水平面上的安全措施。

图4示出了根据本发明的变型的可变提升装置1的示意图。根据本发明的变型，可变提升装置1包括容纳空气的加压密闭壳体2和设置在该密闭壳体2内部的第一密闭气囊3，该第一密闭气囊3容纳密度低于空气密度的加压气体或提升气体。如前所述，第一密闭气囊3从弹性材料(例如，塑料或其它弹性体类型)获得，并且包括用于对第一密闭气囊3进行穿孔的穿孔装置34。

如前所述，可变提升装置1包括：排气阀62，该排气阀62被放置在船尾6处，从而允许包含在密闭壳体2内部的空气被排出到可变提升装置1外部的环境中；以及附加倾斜装置7，该附加倾斜装置7在可变提升装置1外部抵靠密闭壳体2的底表面24放置。

与图2所示的发明不同，在可变提升装置1起飞之前的阶段期间，密闭气囊3最初填充有提升气体。因此，当发生起飞且开始上升时，提升气体已经被包含在第一密闭气囊3中，并且可变提升装置1被更快地放置于竖直位置中。

然而，在可变提升装置1的起飞期间，必须控制从水平位置到竖直位置的切换，以免地面对可变提升装置1的尾部单元11造成损坏或甚至破坏。

当发生起飞且开始上升时，可变提升装置1被竖直地放置。然后，提升气体膨胀并且增加了第一密闭气囊3的体积。

如前所述，第一密闭气囊3的体积增加意味着密闭壳体2内部所包含的空气体积减少，这通过由排气阀62将空气排出到外部环境反映出来。

然后，在竖直位置，船头5指向上升方向，该上升方向是可变提升装置1的升高方向，而船尾6指向相反的方向，即朝向地面。

包含在密闭壳体2中的空气体积减少与第一密闭气囊3的体积增加并行地持续，直到第一密闭气囊3开口为止。当可变提升装置1达到被认为是接近可变提升装置1的最终高度的高度时，密闭壳体2中的第一密闭气囊3的开口完成。

然后，密闭壳体2中包含的体积不再仅填充有空气，而是被分成三个体积。然后，如前所述，密闭壳体2包含：表示仍包含在密闭壳体2中的空气的体积的第一体积V1；表示从第一密闭气囊3释放的提升气体的体积的第二体积V2；并且第三体积V3被插入到第一体积V1的空气与第二体积V2的提升气体之间，从而表示从第一密闭气囊3释放的提升气体与最初包含在密闭壳体2中的空气的混合物。然后，第二体积V2随着可变提升装置1上升而增加，因此作用在必须由排气阀62排出的第一体积V1的空气上。

密闭壳体2还包括用于第一密闭气囊3的缩回装置26。缩回装置26允许开口的第一密闭气囊3贴靠密闭壳体2的船头5的内面52。以该方式，第一密闭气囊3抵靠船头5的内面52固定，并且在密闭壳体2中不移位。

图5表示根据本发明的用于可变提升装置1内部的第一密闭气囊3的缩回装置26的示意图。用于第一密闭气囊3的缩回装置26包括：与密闭壳体2的船头5的内面52直接接触的卷绕器262；有线连接件264，有线连接件264的第一端e1与卷绕器262接触，并且止动装置268被放置在第二端e2。通道接口266被放置并沿水平轴线A1抵靠第一密闭气囊3对齐，使得有线连接件264穿过各个通道接口266。当第一密闭气囊3是开口的并且提升气体从开口中逸出时，卷绕器262被激活并卷绕有线连接件264。有线连接件264因此被拉向卷绕器262，就像止动装置268一样。止动装置268的尺寸大于通道接口266的孔口。换句话说，通道接口266被构造成允许有线连接件264滑动通过而且会阻挡止动装置268。然后，不允许止动装置268通过的通道接口266在止动装置268本身被卷绕器262牵引的动作之后被一个接一个地朝向该卷绕器262拉动。当止动装置268与卷绕器262接触时，卷绕器262停止牵引有线连接件264，并且第一密闭气囊3缩回抵靠船头5的内面52。

Claims (11)

1.一种可变提升装置(1)，其特征在于，所述可变提升装置(1)包括：

-加压密闭壳体(2)，所述加压密闭壳体(2)容纳空气；

-第一密闭气囊(3)，所述第一密闭气囊(3)设置在所述加压密闭壳体(2)的内部，所述第一密闭气囊(3)容纳密度低于空气密度的加压气体，所述第一密闭气囊(3)包括用于对所述第一密闭气囊(3)进行穿孔的穿孔装置(34)，所述第一密闭气囊(3)被构造成将密度低于空气密度的所述加压气体释放到所述加压密闭壳体(2)中。

2.根据权利要求1所述的可变提升装置(1)，其中，所述可变提升装置(1)包括第二密闭气囊(4)，所述第二密闭气囊(4)设置在所述加压密闭壳体(2)的内部并流体地连接至所述第一密闭气囊(3)。

3.根据权利要求2所述的可变提升装置(1)，其中，所述加压密闭壳体(2)包括顶表面(22)，所述第二密闭气囊(4)抵靠所述加压密闭壳体(2)的所述顶表面(22)设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，所述加压密闭壳体(2)包括船头(5)，所述第一密闭气囊(3)抵靠所述加压密闭壳体(2)的所述船头(5)的内面(52)设置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，所述加压密闭壳体(2)包括船尾(6)，至少一个排气阀(62)抵靠所述加压密闭壳体(2)的所述船尾(6)设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，所述第一密闭气囊(3)由塑料材料制成。

7.根据权利要求4所述的可变提升装置(1)，其中，所述加压密闭壳体(2)包括用于所述第一密闭气囊(3)的缩回装置(26)，用于所述第一密闭气囊(3)的所述缩回装置(26)包括与所述加压密闭壳体(2)的所述船头(5)的所述内面(52)直接接触的卷绕器(262)，用于所述第一密闭气囊(3)的所述缩回装置(26)包括有线连接件(264)，所述有线连接件(264)的第一端(e1)与所述卷绕器(262)接触，并且所述有线连接件(264)的第二端(e2)与所述第一密闭气囊(3)接触。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，所述可变提升装置(1)沿第一纵向轴线(A1)延伸，所述可变提升装置(1)包括抵靠所述可变提升装置(1)设置的附加倾斜装置(7)。

9.根据权利要求8所述的可变提升装置(1)，其中，所述附加倾斜装置(7)具有沿所述纵向轴线(A1)从平衡位置(P1)到缩回位置(P2)的横向移动性。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，用于对所述第一密闭气囊(3)进行穿孔的所述穿孔装置(34)是使用控制器来致动的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的可变提升装置(1)，其中，所述第一密闭气囊(3)是能够更换的。

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