JP2009522170A - 電気通信又は他の科学目的のための無人航空機 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に成層圏において所定の高度に配備される電気通信又は他の科学目的のための無人航空機に関する。航空機は、プラットフォーム（１０）を保持する気体充填気球（１１）及び、プラットフォームの位置を地表に対して維持するための手段を備える。プラットフォーム（１０）を保持する気球（１１）は、特に成層圏において、空力学的形状の外気球（１２）の内部に配設されている。媒体が充填された少なくとも１つの低圧又は高圧の絶縁室（２０；２０’；２０”）がそれらの間に配置され、内気球（１１）を包囲している。絶縁室において使用される媒体は、低い熱伝導率を有する気体である。温度差の否定的影響は大部分補償され、それにより内気球はより軽量で安価な材料で製造することができ、それによってその寿命を永続的に増大させる。

Description

本発明は請求項１の前文従った、成層圏において所定の高さに配備される電気通信又は他の科学目的のための無人航空機に関する。

多種多様な電気通信及び／又は監視プラットフォームを成層圏に配備するための気体充填加圧気球の使用は、例えば米国特許第５，１０４，０５９号明細書から知られている。そのような加圧気球の１つの特定の問題は、第一に日中を通じて、そして第二に夜間にそれらがさらされる温度の変動から生じる。昼間、気球の表面は太陽直射線にさらされ、気球内部の気体は太陽放射によって加熱され、気圧を上昇させる。他方、夜には、周囲温度と気体温度の両方が下がり、従って加圧気球内の気圧もまた低下する。これは、加圧気球の材料と構成に対しよりいっそう多くの要求を課す。それはまた、地球に対するプラットフォームの高度及び位置を維持するのをより難しくする。

米国特許第５，１０４，０５９号明細書

本発明は、プラットフォームを支持する気体充填加圧気球が最適な様態で所望の高度及び位置に保たれ、さらに長寿命を有する、前述の形式の無人航空機を創成するという課題に基づく。

この課題は請求項１の特徴を備える航空機によって本発明に従って解決される。

本発明に従った航空機のさらなる好ましい実施態様は従属請求項の内容を形成する。

本発明に従った航空機において、加圧気球は成層圏において空力学的外形に膨らむ外気球の内側に配置され、媒体が充填された少なくとも１つの低圧又は高圧の絶縁室がこの外気球と内気球との間に形成され、絶縁室に使用される媒体は低い熱伝導率を備える気体であり、加圧気球内の気圧の温度変動の負の影響は大部分回避され、それにより、それはより軽量かつ安価な材料で製造することができ、その寿命は永続的に増大する。

地球に対するプラットフォームの位置は、加圧気球内のほぼ一定の気圧及び外気球の外側の電動プロペラのために、長期間にわたり可能な限り安定して保たれる。

次に本発明を図面を用いてさらに詳細に説明するが、それらはまったく略図の形式で図示している。

図１は、無人航空機１、詳細には、成層圏における無線通信及び／又は他の科学目的のためのプラットフォーム１０、いわゆる「高高度プラットフォーム」の概略図である。これによってこの航空機１は、それが地球に対して静止位置とされるか又は、例えば宇宙の衛星に対して静止して飛行しながら位置づけられる場合に、地球に対して移動可能に配置されるように、制御される。この航空機は、電気通信のための伝送ステーションとしてだけでなく、科学計測目的にも、ＴＶ又はラジオ局のための伝送ステーションとしても、写真撮影目的にも、気象ステーションとしても、その他多くに対して適している。それはＧＰＳや他の制御装置を装備しており、それにより、地上の制御センターによって多かれ少なかれ遠隔制御される電子接続により、航空機の自動機上誘導が可能である。

図１によれば、航空機１はすでに、風の条件に関して有利である２０〜３０ｋｍの所望の高度にある。対応する装置を装備したプラットフォーム１０（「ペイロード機」）は、好ましくはヘリウムである気体が充填された加圧気球１１によって支持されている。変種として、このプラットフォーム１０は、気球１１の周りに延びる支持要素１７、例えばベルト等によって支持されてもよい。

有利にはカボチャの形又は他の形状をしている加圧気球１１（「カボチャ気球」）は、空力学的外形を有する外気球１２の内部に位置している。外気球は媒体で満たされており、プラットフォーム１０が加圧気球１１によって容易に対流圏を通り所望の高度、詳細には２０．７ｋｍまで運ばれた時にのみ空力学的外形に膨む。

外気球１２は、昇降舵及び方向舵ユニット１３、１４をその後端部に備える。自転する地球に対して航空機とプラットフォームの位置を維持する手段もまた存在する。これらは、プラットフォーム１０の外側に配置された、航空機の前方推進又は同時に航空機安定化のための電気的に駆動可能なプロペラ１５を含む。この場合、プロペラ１５は、常に航空機を地球の表面に対して同じ軸に保つために、独立した速度で駆動される。プロペラ１５はまた、プラットフォーム１０にピボット式に配設することもでき、そうして両方の前記目的を果たすことができる。本発明に従った航空機１はまた、コントローラ及び電子式自動操縦システムも装備している。

本発明によれば、外気球１２を充填し膨らませるために使用される媒体は、低い熱伝導率を備える気体、好ましくはキセノン又はクリプトンである。クリプトンの熱伝導率は０．００９４９Ｗ／ｍ．Ｋであり、キセノンのそれは０．００５６９Ｗ／ｍ．Ｋである。低圧又は高圧の絶縁室２０が内気球１１の周りに形成され、それによって気球１１は、例えば夜間と日中で生じる温度差から、いわば保護され、その温度及び気圧はそれぞれ可能な限り一定のままである。

低熱導体であることが著名な気体、好ましくはキセノン又はクリプトンは、図２に従ってポンプ２１によってタンク２４から供給管路２３を通じて絶縁室２０に供給され、ポンプ２１はまた、補償室を形成する別の気球２８に気体を供給することができる。補償室は低圧又は高圧の絶縁室２０における一定圧力及び一定体積を保証し、従って外気球１２の空力学的外形も維持する。気体は絶縁室２０に入る前にあらゆる水分を除去される。圧力計と温度計２６、２７もそれぞれ設けられており、それらは詳細には図示していない制御装置と接続されている。内気球１１は、既述の通り、好ましくはヘリウム（しかしそれはまた、例えば水素といった異なる気体とすることもできよう）が充填されている。図２によれば、ヘリウムタンク４３が管４９によって気球１１の内部と連結されている。ポンプ４７は、ヘリウムをこの加圧気球１１か、又は航空機全体のための補償室として働く付加的なヘリウム充填気球５８のどちらにも供給することができる。制御ユニットに信号を送る圧力計４８もまた管４９に設けられている。ヘリウムはプラットフォーム１０を支持する内気球１１に加圧下で供給され、そのために、詳細には図示していない圧縮機が設けられている。

図２からわかるように、全部の装置はプラットフォーム１０に含まれている。明らかに、例えば全部の電子機器、アキュムレータ、制御装置等といった、詳細には図示していない付加的な計器や集成体もまた、このプラットフォーム１０に収容されている。

本発明によれば、内気球１１内の圧力条件は、その内部の温度が可能な限り一定のままであるように、好ましくは外部空気の夜間温度に対応するように制御される。低い熱伝導率の気体が充填された絶縁室２０は、日中と夜間の外部空気の温度差が内気球１１に可能な限り少ない影響を及ぼすことを保証する。しかし、圧力計４８が日中に気球１１内の圧力の上昇を検出した場合、ヘリウムの一部は減圧弁を通じて付加的気球５８に逃げることができる。他方、夜間に、圧力計４８が所望の値を下回る圧力を表示した場合、ヘリウムは内気球１１にポンプで送り戻される。

基体材料がポリエチレンである外気球１２はその表面に太陽集光フィルム４０を備える。太陽放射によって日中に生成された電気エネルギーは蓄電池によって貯蔵される。

外気球１２はまた赤外線集光フィルム４１も備えており、それにより、夜間の地球からの赤外線再放射が利用される。太陽集光フィルム４０の内側の赤外線集光フィルム４１は、好ましくは暗色の約１２μｍ厚のアルミニウムフィルム、カラーコート又は類似物で作られる。外気球１２と加圧気球１１の両者は透明プラスチック材料で作られるのが望ましく、赤外線集光フィルム４１は地球に向いている外気球１２の内側に付着されている。その場合、赤外線は、下方から両方の気球を透過することができ、それにより温度に関して、そうでなければ夜間に生じる冷却を補償するのを助ける。赤外線集光フィルム４１は好ましくは、太陽集光フィルム４０よりも大きい外気球１２の面積を覆う。

外側及び内側の両方に、太陽集光フィルム４０及び赤外線集光フィルム４１は、例えばポリスチレンといった合成フォームの層、又は別の絶縁材料によって覆われており、それにより気球表面の過度の加熱はまったく起こらない。

しかしまた、外気球１２及び内気球１１の両方をアルミニウム処理プラスチックで製造することも可能であり、これは好ましくはポリエチレンであるプラスチック支持体にアルミニウムの層を貼り付けた多層材料であり、アルミニウム層はさらにプラスチックの層によって覆われている。アルミニウム層は、第一に放射を反射し、第二にガス不浸透性に関する特性を改善する。すなわち、ごく少ない気体しか気球材料を通って漏出しない。放射の反射のために、絶縁室によって「遮断」しようとしている熱効果が減少する。次ぎに、太陽集光フィルムを外気球の表面又はその区域に付着させることができる。

内気球１１の周りに、２つの低圧又は高圧の絶縁室を形成することは現実に可能であり、その際、外気球は外シースと内シースを有することになり、好ましくはキセノン又はクリプトンが充填された１つの第１の絶縁室が間に形成される。その場合、内シースと気球との間に形成される他方の低圧又は高圧の絶縁室は外部空気で満たすことができ、その空気はこの室の圧力を一定に保つために流出口を通じて絶縁室から放出することができる。それに応じて、圧力とともに海抜高度を、測定し、制御装置に送ることができる。

本発明に従った航空機１’の２つのさらなる可能な実施形態が図３に示されている。

これらの変種では、第一に、外気球１２の内周部と気球１１の外周部との間に配置され気球の周りで螺旋状に広がる室２０’が示されており、それはトランスバーサルセクション５０によって区切られている。

第二に、外気球１２の内周部に配置され、やはり螺旋形で、ある距離をおいて気球１１の周りに広がっている室２０”を形成することができ、それはほぼ矩形の断面を備える１つ以上の外被５０’から作られる。

両方の場合に、これらの室２０’、２０”には、低い熱伝導率を備える例えばキセノン又はクリプトンといった気体が満たされており、このように低圧又は高圧の絶縁室が気球１１の周りで少なくとも部分的に形成される。

これらの室２０’、２０”は気球の周辺部全体の一部にわたって図示されているにすぎない。明らかに、一方又は他方の室のどちらかが周辺部全体又はほぼ全体にわたって設けられているであろう。

図１又は図２に従った変種と同様に、外気球１２にはさらに太陽集光フィルム及び赤外線集光フィルムを設けることができ、それらにより日中の太陽放射及び夜間の地球からの赤外線再放射がエネルギー的に利用される。これらの外被５０又は５０’のトランスバーサルセクション５０は、好ましくはそして有利には、２つの気球１１、１２と同様に、透明プラスチック材料から構成される。

しかし、図３に示された実施形態の場合、外気球及び内気球１１の両方はアルミニウム処理プラスチックで作ることもできよう。

さらなる可能性があるのは、螺旋形の室２０’、２０”の代わりに、気球１１の周りでその周辺部全体又は少なくともその大半にわたる、好ましくはキセノン又はクリプトンといった低い熱伝導率を有する気体を充填することができる多数の連結したポケット又はクッション形の室の配置である。これらはさらに、内気球１１と外気球１２との間の空間を少なくとも部分的に満たすか、又は内気球１１からある距離をおいて外気球１２の内周部に配置することができる。これらのポケット又はクッション形の室に適格な材料は、すでに述べたアルミニウム処理プラスチック、好ましくはポリエチレンである。

本発明に従った航空機１又は１’の気球１１内の気圧がほとんど一定に保たれ、及び／又は効果的に管理され、極端な昼夜の温度差にさらされないので、航空機は著しくより長期にわたり稼働し続けることができ、そして地球に対する（又は地球上の特定の地域に対する）その位置を、普通の気球の場合よりもより良好に維持することができる。

航空機１は明らかに、完全な制御システムを装備しており、それによりそれは自動的に自らを地球の表面に対して所望の位置に置くことができる。それはまた、地上の制御センターともリンクされており、それによりデータ転送及び制御オプションを地上から実行することができる。

図４は、図１のものと本質的に同一に設計された無人航空機を図示している。従って、変更のない部分には同じ参照番号が使用されている。外気球１２と、その内部に配置されプラットフォームを支持する気体充填気球１１とからなる。内気球１１には、好ましくは空気である気体を出入りさせるための入口弁及び出口弁を備える少なくとも１つの付加的気球３１がある。この付加的気球３１により、それを包囲する気球１１において一定の圧力が生成される。このために、詳細には図示していない対応する圧力調整装置が気球３１に設けられており、圧力測定は内気球１１において行われる。空気は、制御可能な出口弁又は入口弁によって付加的気球３１から流出されるか、ポンプによって流入させられることができ、その結果、内気球１１内の圧力は一定に保たれるか、又は必要に応じて調整することができる。

本発明のさらなる特徴として、内気球１１と外気球１２は、それらの下側で連結手段３４によって一体に保持される。これは航空機の最適な安定性を生じる。また、内気球１１内の付加的気球３１もまたその下側で後者に取り付けられる。有利には、外気球の下側に、外シースとして陽極処理アルミニウム層が設けられ、それにより赤外線が夜間に吸収されて絶縁室において熱を発生するように意図されている。

プラットフォーム１０は、本発明の範囲内で、外気球１２の下側と連結要素３０によって連結されている。これによってプラットフォーム１０は、示された連結装置３３によって外気球１２に連結され、詳細には図示していない連結器によってこの外気球から分離可能である。すでに述べたように、これはプラットフォーム１０を分離後に地上に戻すことを可能にし、気球は上昇して破壊される。有利には電磁式連結器が使用され、高額な機械式装置を用いずに解放を可能にする。

また、気体循環の目的で、外気球１２の下側の絶縁室２０には１つ以上の入口３６が、そして上側には１つ以上の出口３６’が設けられていることも図示されている。これは日中における航空機の最適な冷却を可能にする。

本発明に従った航空機の第１の実施形態の側面図である。 図１に従った航空機の一部分の断面図である。 本発明に従った航空機の第２の実施形態の側面図である。 本発明に従った航空機のさらなる変種の略縦断面図及び部分平面図である。

Claims (20)

1. 特に成層圏において所定の高度に配備される電気通信又は他の科学目的のためのプラットフォームとしての無人航空機であって、空力学的外形を備える外気球（１２）、その内部に配置されプラットフォームを支持する気体充填気球（１１）、及び地球に対してプラットフォームの位置を維持するための手段を備えており、
   前記外気球（１２）と前記内気球（１１）との間に少なくとも１つの低圧又は高圧の絶縁室（２０；２０’；２０”）が形成されており、低い熱伝導率の気体が前記絶縁室の媒体として使用されることを特徴とする、無人航空機。
2. 絶縁室（２０；２０’；２０”）のための気体は、空気、キセノン及び／又はクリプトンであることを特徴とする請求項１に記載の航空機。
3. 絶縁室（２０’）は、内気球（１１）の周りで螺旋状に広がっており、前記内気球（１１）と外気球（１２）との間に走るトランスバーサルセクション（５０）によって区切られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機。
4. 絶縁室（２０’）は、外気球（１２）の内周部に配置され、内気球（１１）からある距離をおいて螺旋状に走っており、断面がほぼ矩形の１つ以上の外被（５０’）によって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機。
5. 内気球（１１）の周りに多数の相互連結されたポケット又はクッション形の絶縁室が配置されており、それらは前記内気球（１１）と外気球（１２）との間の空間を少なくとも部分的に満たすか、又は前記外気球（１２）の内周部で前記内気球（１１）からある距離をおいて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機。
6. 絶縁室（２０’；２０”）と内気球（１１）との間に、外部空気で満たされるさらなる絶縁室（２０）が存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機。
7. 外気球（１２）は、その表面の一部に、詳しくは後部及び／又は昇降舵及び方向舵ユニット（１３、１４）に、日中の太陽放射のエネルギー利用のために太陽集光フィルム（４０）を備えており、他方、付加的なプラスチック層が、詳しくはフォーム又は異なる絶縁材料の層が、熱シールドとして前記太陽集光フィルム（４０）に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機。
8. 外気球（１２）は、夜間の地球からの赤外線再放射のエネルギー利用のために赤外線集光フィルム（４１）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の航空機。
9. 赤外線集光フィルム（４１）は太陽集光フィルム（４０）よりも大きい外気球（１２；１２’）の面積を覆っていることを特徴とする請求項８に記載の航空機。
10. 内気球（１１）及び外気球（１２）の両者とともに恐らくトランスバーサルセクション（５０）及び／又は１つ以上の外被（５０’）は透明材料で作られており、赤外線集光フィルム（４１）は地球に向いている前記外気球（１２；１２’）の内側に設けられることを特徴とする請求項８又は９に記載の航空機。
11. 内気球（１１）及び外気球（１２）は、好ましくはポリエチレンであるプラスチックにアルミニウム層が形成されている多層プラスチックで作られていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の航空機。
12. 絶縁室（２０；２０’；２０”）又は複数の絶縁室から水分を除去するための手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の航空機。
13. 外気球（１２）は、その空力学的形状を維持するために、補償室を形成し低い熱伝導率の気体が充填可能な付加的気球（２８）と機能的に連結されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の航空機。
14. 内気球（１１）は、補償室を形成し同じ気体が充填可能な付加的気球（５８）と機能的に連結されており、それによって、温度を可能な限り一定の設定値に維持するために、前記内気球（１１）内の圧力が調整されることができ、設定値は好ましくは夜間外部温度に対応することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の航空機。
15. 気体循環の目的で、少なくとも１つの絶縁室（２０；２０’；２０”）は、外気球（１２）の下側に１つ以上の入口（３６）を、そして上側には１つ以上の出口（３６’）を備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の航空機。
16. 空力学的外形を有する外気球（１２）及び、その内部に配置され、プラットフォーム（１０）を支持する気体充填気球（１１）、さらに地球に対してプラットフォームの位置を維持するための手段を備える、特に成層圏において所定の高度に配備される電気通信又は他の科学目的のための無人航空機であって、
    少なくとも１つの付加的気球（３１）が、好ましくは空気である気体を出入りさせるための入口弁又は出口弁を備える前記内気球（１１）に配置されており、それによって一定の圧力がそれを包囲する気球（１１）に生成されることを特徴とする、無人航空機。
17. 空力学的外形を有する外気球（１２）及び、その内部に配置されプラットフォーム（１０）を支持する気体充填気球（１１）、さらに地球に対してプラットフォームの位置を維持するための手段を備える、特に成層圏において所定の高度に配備される電気通信又は他の科学目的のための無人航空機であって、
    前記内気球（１１）及び前記外気球（１２）はそれらの下側で連結手段（３４）によって一体に保持されていることを特徴とする、無人航空機。
18. 付加的気球（３１）が内気球（１１）内に配置されているとともに、その下側で後者に取り付けられていることを特徴とする請求項１７に記載の航空機。
19. 空力学的外形を有する外気球（１２）及び、その内部に配置されプラットフォーム（１０）を支持する気体充填気球（１１）、さらに地球に対してプラットフォームの位置を維持するための手段を備える、特に成層圏において所定の高度に配備される電気通信又は他の科学目的のための無人航空機であって、
    前記プラットフォーム（１０）は連結要素（３０）によって前記外気球（１２）の下側と連結されていることを特徴とする、無人航空機。
20. プラットフォーム（１０）は外気球（１２）と連結されており、この外気球から連結器によって分離可能であることを特徴とする請求項１９に記載の航空機。

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