JP3076842B1

JP3076842B1 - スーパー・プレッシャ型高々度飛行船

Info

Publication number: JP3076842B1
Application number: JP11087207A
Authority: JP
Inventors: 田昌彦恩
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: US6305641B1; JP2000280989A

Abstract

【要約】【課題】成層圏に滞空し、太陽光の光電変換のパワー
で風に抗して推進し、環境観測や無線中継等を行うため
の巨大ＬＴＡプラットフォームとして用いるスーパー・
プレッシャ型の高々度飛行船を提供する。【解決手段】エンベロプ１におけるガス嚢に、ミッシ
ョン高度において外界大気との気体の出し入れを原則的
にゼロとして、内圧の上昇を押さえ込む耐圧性を持たせ
たスーパー・プレッシャ構造を持たせる。また、エンベ
ロプ１の上部外面に太陽電池４を配設し、この太陽電池
４の設置面下には、太陽電池からの熱がエンベロプ１内
の浮揚ガスに伝わるのを防ぐため、ガス嚢との間に通風
空間５を設けると共に、この通風空間に外気を強制流動
させるファンを設ける。エンベロプ１は、搭載している
重量物３を前後に移動させて機体ピッチ姿勢角の静的釣
り合いをトリムする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スーパー・プレッ
シャ型高々度飛行船に関するものであり、更に具体的に
は、成層圏に滞空し、太陽光の光電変換等のパワーで風
に抗して推進し、地球環境保全のための観測や無線中継
等を行う巨大ＬＴＡ（Lighter-Than-Air）プラットフォ
ームの機体を、成層圏において外界大気との気体の出し
入れを原則として行わないスーパー・プレッシャ構造と
した高々度飛行船に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】既知の科学気球は、その上昇においては
空気を排気せず、気球をヘリウムと共に膨張させて、気
球内外差圧の上昇を防ぎながら余裕浮力で上昇し、水平
飛行に際してはバラストを捨てつつ気球の移動を風にま
かせ、下降開始に際しては気球の一部を引き裂き、浮揚
ガスを排出して搭載物を落下傘で降下させる。一方、地
上から高度２０ｋｍ程度の成層圏下層の空域は、一年中
晴天で、風も弱く穏やかであるため、この空域に巨大Ｌ
ＴＡプラットフォームを長期間滞空させて環境観測や情
報中継に利用するのが有効であるが、この場合には、上
記科学気球と同様な手段を用いることには困難性があ
り、成層圏の風に抗してその位置を保持するための推進
パワーを必要とするばかりでなく、船体の昇降等につい
ても高速度での往還などのそれに適した手段が必要にな
る。

【０００３】このような高々度飛行船では、通常、船体
の前後に分割配置した外界との空気の出し入れができる
バロネットにより、高々度での浮揚ガスのスーパー・ヒ
ート等の温度変動による体積の増減を吸収させると共
に、ピッチ姿勢のトリム機能を持たせているが、例え
ば、浮揚ガスの温度の変動幅が７０℃で大気の温度平均
が約−５３℃（絶対温度２２０Ｋ）であれば、７０／２
２０以上のバロネット容積が必要となり、その結果、バ
ロネット空間分の浮力の減少や、バロネット膜材による
重量増加が生じ、しかも、バロネットの気嚢は、エンベ
ロプ内の浮揚ガスの充填空間との境界で流体の自由境界
面を形成するため、気体の揺動に曝され、この負荷荷重
で膜材の材料疲労を生じ易いという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解消するためになされたもので、その技術課題
は、基本的には、成層圏に滞空し、主として太陽光の光
電変換のパワーで風に抗して推進し、環境観測や無線中
継等を行うための巨大ＬＴＡプラットフォームとして用
いるのに適した高々度飛行船を提供することにある。本
発明の他の技術課題は、高々度飛行船の船体を、高々度
での浮揚ガスの温度変動に耐える耐圧ガス嚢を備えたス
ーパー・プレッシャ構造とし、構造破壊や浮力減小など
の欠点を持つバロネットを不要とし、使用膜材の面積と
重量を最小限にして構成を簡単化できるようにしたスー
パー・プレッシャ型高々度飛行船を提供することにあ
る。更に、本発明の技術課題は、日射によるエンベロプ
内の浮揚ガスのスーパー・ヒート等に起因して、エンベ
ロプ内の浮揚ガスの温度が変動し、その変動に伴って浮
揚ガスの体積（圧力）が変動するのを可及的に回避でき
るようにしたスーパー・プレッシャ型高々度飛行船を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のスーパー・プレッシャ型高々度飛行船は、エ
ンベロプを形成するガス嚢に、ミッション高度において
外界大気との気体の出し入れをゼロとして、内圧の上昇
を押さえ込む耐圧性を持たせ、内圧と外界大気圧との差
圧によりエンベロプに必要な剛性を保持させるスーパー
・プレッシャ構造を持たせ、エンベロプの上部外面に太
陽電池を配設し、この太陽電池の設置面下に、その太陽
電池からの熱がエンベロプ内に充填した浮揚ガスに伝わ
って内圧が上昇するのを防ぐ放熱手段を設けたことを特
徴とするものである。

【０００６】上記スーパー・プレッシャ型高々度飛行船
における放熱手段は、日射によるスーパー・ヒートでの
浮揚ガスの膨張とそれによる過度の圧力膨張を防止する
ためのもので、太陽電池の設置面下におけるガス嚢との
間に設けた通風空間と、この通風空間に外気を強制流動
させる通気手段とによって構成される。この通気手段
は、日中の強い太陽光での上記太陽電池の過剰な発電パ
ワーを利用するものである。また、上記エンベロプに
は、必要に応じて、搭載している重量物を前後に移動さ
せて機体ピッチ姿勢角の静的釣り合いをトリムするピッ
チ姿勢調節手段を備えることができる。

【０００７】このような構成を有するスーパー・プレッ
シャ型高々度飛行船は、船体をスーパー・プレッシャ構
造とすることにより、船体の前後にバロネットを分割配
置して浮揚ガスの温度変動による体積の増減を吸収させ
るようにした従来の飛行船に比して、高々度での温度変
動に耐える耐圧ガス嚢を備えるだけでよく、ミッション
高度が高々度であり、大気圧も５０〜４０ｈＰａと低い
ので、ガス嚢の強度も気圧の高い低空を飛行する場合と
比べて小さくてよく、ガス嚢の構成が非常に簡単で容易
なものとなる。バロネットに代わる機体ピッチ姿勢角の
静的釣り合い制御が必要な場合は、ピッチ姿勢調節手段
により、搭載している重量物を前後に移動させて調節す
ることができる。

【０００８】また、このスーパー・プレッシャ構造で
は、エンベロプ内の浮揚ガスの温度が変動すると、その
分だけ内圧も変動するが、太陽光の照射により熱発生の
著しい太陽電池の下部に、通風空間とそこに外気を強制
流動させる通気手段等によって構成される放熱手段を設
置しているので、エンベロプ内の浮揚ガスに熱が伝わる
のを抑制して、浮揚ガスの温度変動（スーパー・ヒート
等に起因する）による圧力変化を最小限にすることがで
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明に係るス
ーパー・プレッシャ型高々度飛行船の実施例を示してい
る。この高々度飛行船は、ガス嚢を主体とするエンベロ
プ（機体本体）１と尾翼２とを備え、これらは、内部に
ヘリウム・ガス等からなる浮揚ガスを充填した加圧膜構
造により形成され、エンベロプ１内のガス嚢におけるヘ
リウム・ガスの余剰浮力で上昇して、ミッション高度で
余剰浮力分の浮揚ガスを放出して地上約２０〜２２ｋｍ
高度で滞空し、下降はヘリウム・ガスの一部をさらに排
出して自重により降下するものである。なお、降下速度
は排出ヘリウムの量を加減して調節し、または、制御翼
等で姿勢を制御し、最終降下速度が過剰になって地表物
との衝突等で危険が生じることがないように速度を抑
え、海上もしくは地表に降りるようにする。即ち、この
高々度飛行船は、動力推進による上昇・下降を原則とし
て行わず、高々度での水平飛行のみを動力推進とし、動
力気球とも呼ぶことができるものである。

【００１０】上記エンベロプ１におけるガス嚢は、ミッ
ション高度の地上約２０〜２２ｋｍ高度で外界大気との
気体の出し入れをゼロとし、ガス嚢に強度を持たせ、外
気圧の変化に伴うガス嚢の大きさの変動を防止したスー
パー・プレッシャ構造を有するもので、当該高度での飛
行船の排除体積の大気重量と、飛行船の全備重量とが釣
り合い、しかも、エンベロプ１の内圧と外界大気圧との
差圧によりエンベロプ１に必要な剛性を保持させるよう
に、浮揚ガス量が決められる。この場合、外界大気の気
温差及び日射等によって、エンベロプ１内のヘリウム・
ガスが膨張あるいは収縮しようとするが、エンベロプ１
は閉じ切りのため、ヘリウム・ガスの膨張は内圧の上昇
となり、そのため、ガス嚢はこの膨張分を押さえ込む耐
圧性を持たせたものであることが必要である。

【００１１】このスーパー・プレッシャ構造を有するエ
ンベロプ１は、原則として、通常の軟式飛行船にあるよ
うな、エンベロプ内圧調整及び機体ピッチ姿勢角の静的
釣り合いのトリム（調節）のためのバロネット（空気
房）を設置せず、それに代替する手段としては、二次電
池等の機体に搭載している重量物３を前後に移動させて
機体ピッチ姿勢角の静的釣り合いをトリムするという、
ピッチ姿勢調節手段を備えている。上記重量物３の前後
移動の制御は、従来から行われているバロネットのトリ
ムと同様な効果を生むような移動距離と移動重量とを得
る駆動手段によって行うことができる。

【００１２】通常の軟式飛行船では、一般的に、二つの
バロネットをエンベロプの前後に分割して配置し、空気
を前方または後方のバロネットに偏在させることによっ
て、機体ピッチ姿勢角の静的釣り合いをトリムしている
が、上記エンベロプ１におけるバロネットを設置しない
構造により、使用膜材の面積と重量を最小限にできて飛
行船の軽量化に有利となるばかりでなく、空気が入って
いるだけで浮力に貢献しないバロネット空間の省略によ
り、飛行船の機能を向上させることができる。また、バ
ロネットの気嚢は、エンベロプ内のヘリウムの充填空間
との境界で流体の自由境界面を形成するため、気体の揺
動に曝され、この負荷荷重で膜材の材料疲労を生じる
が、バロネットの無い構造ではこのような問題を回避す
ることができる。

【００１３】なお、上記スーパー・プレッシャ構造で
は、エンベロプ１内のヘリウムの温度変化による圧力変
動をガス嚢の耐圧性により吸収するため、ガス嚢を形成
する膜材として高強度材が必要となり、その重量が嵩む
ことになるが、この重量増加分は、機体中央の機体重心
近くに小さいバロネットを設置することにより、膜材の
加重な重量増加をトレード・オフすることもできる。

【００１４】また、２０〜２２ｋｍ程度の高度では、一
年中晴天で、太陽光をエネルギー源として安定的に利用
できるため、エンベロプ１の上部外面には太陽電池４を
配設しているが、この太陽電池４が日射で暖まることか
ら、エンベロプ１内に充填した浮揚ガスのヘリウムが加
熱されて昇温することになる。熱がエンベロプ内の浮揚
ガスに伝わるのは、主にこの太陽電池４の表面を通して
侵入するものであり、そのため、この熱による浮揚ガス
の温度変動を可及的に抑制するため、太陽電池４からの
熱の伝導を防ぐ放熱手段として、その太陽電池４の設置
面下におけるガス嚢との間に通風空間５を設けると共
に、この通風空間５に外気を大量に強制流動させる通気
手段６を設けている。この通気手段６は、図示したよう
に、太陽電池４の前方に設けた多数の空気取り入れ口６
ａから、その太陽電池の熱を放出するに十分な量の外部
空気を吸気ファン６ｂにより吸込み、通気空間５を通し
て後方の排気孔６ｃから外部へ排気するような構造が適
しているが、他の構造、例えば吸気ファン６ｂに代わる
他の送風手段を採用することもできる。上記太陽電池４
においては、日中の強い太陽光で過剰な発電パワーを得
ることができるので、それを吸気ファン６ｂの回転動力
や、風に抗して機体を推進させるための動力として利用
できるが、他の動力を併用できるのは勿論である。

【００１５】また、図３に示す実施例の通気手段６のよ
うに、空気取り入れ口１６ａ及び吸気ファン１６ｂを船
体の先端部に設けて、飛行船の降下飛行時に大気を吸入
するファンとの兼用させることもでき、更に、太陽電池
４の設置面下におけるガス嚢との間に設けた通風空間を
船体の後尾に設けた排気孔１６ｃに開口させ、そこから
の排気を船体抵抗の低減のための流体制御にも兼用する
ことができる。なお、この実施例におけるその他の構成
及び作用は図１及び図２の実施例と変わるところがない
ので、同一または相当部分に同一の符号を付してそれら
の説明を省略する。

【００１６】このような構成を有するスーパー・プレッ
シャ型高々度飛行船は、前述したように、船体をスーパ
ー・プレッシャ構造とすることにより、従来の飛行船の
ように、船体の前後にバロネットを分割配置して浮揚ガ
スの温度変動による体積の増減を吸収させるようにした
ものに比して、温度変動に耐える高々度での耐圧ガス嚢
を備えるだけでよく、ガス嚢の構成が非常に簡単で容易
なものとなり、且つ低高度の飛行に比してガス嚢強度も
小さくてよい。上記バロネットに代わる機体ピッチ姿勢
角の静的釣り合いは、ピッチ姿勢調節手段によって、搭
載している重量物３を前後に移動させることにより、容
易に調節することができる。また、エンベロプ１内の浮
揚ガスの温度は、太陽電池４の設置面下に設けた通風空
間５とそこに外気を強制流動させる通気手段６によっ
て、エンベロプ１内の浮揚ガスに熱が伝わるのを抑制
し、その温度変動を最小限にして、浮揚ガスの圧力変化
を最小限にすることができる。

【００１７】地上２２ｋｍ高度では、大気圧が約４０ｈ
Ｐａ（４００ｍｍａｑ）であり、最高風速値は地上２０
ｋｍ高度（大気圧は約５０ｈＰａ＝５００ｍｍａｑ）と
比較しても低い。飛行船の水平飛行の耐風必要パワーは
風速の３乗に比例するので、地上２２ｋｍの方が推進パ
ワー系が小さくて済む。但し、地上２２ｋｍでの大気密
度は２０ｋｍ高度と比べて１４／１９倍となり、その分
だけ単位排除体積の浮力が小さくなる。しかしながら、
搭載パワー系が全備重量の４５％とし、高度２２ｋｍの
風速が、高度２０ｋｍの風速より２５％小さいとする
と、パワー系重量は風速の３乗に大気密度を乗じた値に
比例するので、２２ｋｍをミッション高度とする方が有
利である。関東の冬季の過去２０年間の強風の生起率を
調べると、２０ｋｍと２２ｋｍ高度では３５〜４０ｍ／
ｓの風速で、２０ｋｍの方が５ｍ／ｓ程高いので、高度
２２ｋｍの方が滞空パワーがはるかに小さいことにな
る。

【００１８】一方、浮揚ガスのヘリウムの温度変動が同
様に高度２０ｋｍと２２ｋｍにおいて共に７０℃と仮定
し、地上２０ｋｍと２２ｋｍ高度の温度平均を、約−５
３℃（絶対温度２２０Ｋ）とすると、圧力の変動分は
（７０／２２０）×（エンベロプ内絶対圧）となる。エ
ンベロプ内絶対圧は外界大気圧より２０〜５０ｍｍａｑ
ほど高く設定するので、仮定した温度上昇による圧力の
上昇分は地上２２ｋｍ高度では４２０ｍｍａｑ×（７０
／２２０）≒７６ｍｍａｑとなり、地上２０ｋｍ高度と
比べて圧力上昇分は８０％で済む。地上の１気圧と比較
すると、１０，０００ｍｍａｑ×（７０／２２０）≒
３，２００ｍｍａｑであり、実に１／５０の圧力変動で
済む。

【００１９】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の高々度飛行船に
よれば、スーパー・プレッシャ構造にすることによりバ
ロネットを不要にしているので、使用膜材の面積と重量
を最小限にでき、気体の自由境界面にある膜材の揺動、
振動疲労を無くすることができる。また、放熱手段を熱
発生の著しい太陽電池下部に設置しているので、エンベ
ロプ内の浮揚ガスの温度変動（スーパー・ヒート）によ
る体積の増減を回避し、浮揚ガスの圧力上昇を最小限に
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスーパー・プレッシャ型高々度飛
行船の実施例を示す側面図である。

【図２】要部の構成を示す部分拡大断面図である。

【図３】本発明に係るスーパー・プレッシャ型高々度飛
行船の他の実施例を示す側面図である。

【符号の説明】

１エンベロプ２尾翼３重量物４太陽電池５通風空間６通気手段６ａ，１６ａ空気取り入れ口６ｂ，１６ｂ吸気ファン６ｃ，１６ｃ排気孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B64B 1/02,1/38 B64B 1/58 - 1/64 B64C 17/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エンベロプを形成するガス嚢に、ミッショ
ン高度において外界大気との気体の出し入れをゼロとし
て、内圧の上昇を押さえ込む耐圧性を持たせ、内圧と外
界大気圧との差圧によりエンベロプに必要な剛性を保持
させるスーパー・プレッシャ構造を持たせ、エンベロプの上部外面に太陽電池を配設し、この太陽電
池の設置面下に、その太陽電池からの熱がエンベロプ内
に充填した浮揚ガスに伝わって内圧が上昇するのを防ぐ
放熱手段を設けた、ことを特徴とするスーパー・プレッシャ型高々度飛行
船。
【請求項２】放熱手段を、太陽電池の設置面下における
ガス嚢との間に設けた通風空間と、この通風空間に外気
を強制流動させる通気手段とによって構成した、ことを特徴とする請求項１に記載のスーパー・プレッシ
ャ型高々度飛行船。
【請求項３】エンベロプに、搭載している重量物を前後
に移動させて機体ピッチ姿勢角の静的釣り合いをトリム
するピッチ姿勢調節手段を備えた、ことを特徴とする請求項１または２に記載のスーパー・
プレッシャ型高々度飛行船。