JP3903202B2 - 成層圏用飛行船 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行船に関し、特に気嚢内を隔膜によって浮揚気体収容部と空気収容部とに区分する成層圏用飛行船に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、飛行船の用途は、気圧変化の比較的少ない低高度（高度数Ｋｍ以下）での広告宣伝、イベント中継、監視、警戒警備、輸送や観光用等が主であり、このような低高度で使用される飛行船における浮上高度を変える方法は、飛行高度を大幅に変化させる必要がないことから、最高浮上高度に耐えるように気嚢の容積を決め、地上より浮上後はバラストを捨てながら上昇し、最高高度に達した後は、浮揚気体の一部を放出して空気と入れ替えることによって行われる。
【０００３】
一方、大気密度が海上付近に比べ約１４〜１５分の１に希薄化する成層圏と称される高々度（例えば高度１７〜２２Ｋｍ）へ上昇するには、浮力を生み出すヘリウムガス等の浮揚気体の容積を１４〜１５倍と大幅に変化させる可変機構が不可欠となっている。
【０００４】
この容積可変機構は、例えば特開昭５４−７０５９７号公報に開示されるように、浮揚気体が収容された気嚢の外皮をローラによって巻き取ることにより、或いは対向配置された複数のローラによって気嚢の外皮を擦り込んで収納することによって、気嚢容積を小さくして内部圧力を増加させることによって静浮力を減らして飛行船を下降させ、また逆に外皮を繰り出すことによって気嚢容積を大きくして内部圧力を低下させることによって静浮力を増大させて、飛行船を浮上させるものが提案されている。
【０００５】
しかし、この容積可変機構を備えた飛行船によると、気嚢の容積を可変制御することから飛行船の外形が大きく変化するものであり、空力特性が大きく変化して安定した状態での上昇が妨げられる。
【０００６】
この対策として、図９に飛行船の概略側面図を示し、図１０に図９のＶ−Ｖ線断面図を示すように、風船状の船体外皮１０２内を隔膜となる柔軟膜１０３によって浮揚気体収容部１０４と空気収容部１０５とに区画した気嚢１０１を使用した飛行船がある。
【０００７】
浮揚気体収容部１０４内の上部に浮揚気体薄膜タンク１０６が設けられ、空気収容部１０５の前部及び後部には、船体外皮１０２の形状、即ち気嚢１０１の形状を保持し、かつ飛行船のバランスを保つバロネット１０７が配設されている。更に、気嚢１０１の上面上に太陽電池モジュール１０８が設けられ、下部に装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物１０９を吊り下げ支持すると共に、太陽電池モジュール１０８と蓄電池等は気嚢１０１の外周に沿って配設なされた電力ケーブル１１０によって連結されている。
【０００８】
この飛行船は、地上における発進前の状態では、図１１に図９のＶＩ−ＶＩ線断面図を示し、図１２に図９のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図を示すように、浮揚気体注入部１１１より浮揚気体薄膜タンク１０６内に例えばヘリウムガス等の浮揚気体を注入し、浮揚気体注入部１１１のバルブを閉じた後、空気収容部１０５内に空気吸入ブロア１１２により外気を吸入加圧して船体外皮１０２の形状を保持する。このとき空気収容部１０５の空気ベントバルブ１１３は閉じられており、柔軟膜１０３は上方に押し上げられて、図１２に示すように浮揚気体薄膜タンク１０６内及び浮揚気体薄膜タンク１０６から浮揚気体収容部１０４内に供給された浮揚気体は加圧されている。
【０００９】
飛行船の上昇は、浮揚気体収容部１０４及び浮揚気体薄膜タンク１０６内の浮揚気体による浮力から飛行船の装備重量を減じた浮力、即ち余剰浮力によって上昇を開始し、上昇に伴って外気圧が徐々に低下する。この外気圧の低下に伴って気嚢１０１の内圧と外気圧との差圧が徐々に増大する。この差圧を所定の制限内に保持するために空気ベントバルブ１１３を開き空気収容部１０５内の空気を排出することで空気容積を減らして調節する。この空気容積の調節に伴って、浮揚気体薄膜タンク１０６内と浮揚気体収容部１０４内との間に差圧が発生する。この差圧を所定以下にするために浮揚気体ベントバルブ１１４を開放して浮揚気体薄膜タンク１０６から浮揚気体収容部１０４内に浮揚気体が送出される。
【００１０】
浮揚気体収容部１０４内に送出された浮揚気体は、膨張して余剰浮力が確保されて飛行船が上昇を続けると共に、空気排出によって減少した空気容積を補填し船体外皮１０２内の容積が一定に保持されて気嚢１０１の外形がほぼ保たれる。
【００１１】
飛行船が成層圏に上昇した状態では、図１３に断面図を示すように気嚢１０１内は、空気収容部１０５内の空気容積が大幅に減少し、浮揚気体収容部１０４内の膨張した浮揚気体によって柔軟膜１０３が押し下げられた状態で空中に滞留する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記、飛行船によると、上昇に伴う外気圧の低下に伴う気嚢１０１の内圧と外気圧との差圧を、空気収容部１０５内の空気容積を減少調節して浮揚気体を膨張せしめることによって余剰浮力が確保され、かつ減少した空気容積が増大する浮揚気体容積によって補填されて気嚢１０１内の容積が一定に保持され、気嚢１０１、即ち飛行船の外形がほぼ保たれる。
【００１３】
しかし、浮揚気体収容部１０４と空気収容部１０５とを区画する柔軟膜１０３は、その周囲が船体外皮１０２に接合された広大な膜状であることから、空気収容部１０５内の空気容積の減少に伴う浮揚気体容積の増大に追従した柔軟膜１０３の円滑な変化が困難であり、例えば図１４に示すように柔軟膜１０３がスロッシング、即ち波動現象を起こし、気嚢１０１内の浮揚気体の偏在が誘発され、浮揚気体の偏在に起因して浮力のバランスが崩れて安定した状態での成層圏への浮上が妨げられることが懸念される。この結果、柔軟膜１０３の大きさが抑制されて浮揚気体容積と空気容積の容積比の可変調節範囲が抑制される。
【００１４】
また、気嚢１０１の下部に搭載物１０９が吊り下げ支持されることから、船体外皮１０２の下部側面に直接的に搭載荷重Ｗが作用する。この結果、図１５に示すように一点鎖線で示す状態から気嚢１０１の断面形状が略楕円形に変形して外形形状を歪め、浮揚気体収容部１０４内の浮揚気体が偏在して浮力のバランスの崩れを誘発して空力安定性の低下を招く結果、安定した状態での浮上が妨げられ、かつ搭載荷重Ｗが作用する船体外皮１０２の下部側面の強度を確保するための補強ダブラ等の補強部材が必要になり、飛行船の重量増加を招く要因となる。
【００１５】
更に、太陽電池モジュール１０７と蓄電池を結ぶ電力ケーブル１１０が気嚢１０１の外周に沿って露出して配設なされることから、電力配線経路が長く、電力損失及び重量が増大し、かつ外部に露出した電力ケーブル１１０によって有害な空力抵抗の発生が懸念される。
【００１６】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、浮揚気体容積を大幅にかつ円滑に変化させて成層圏に安定浮上し滞留することが得られる成層圏用飛行船を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載の成層圏用飛行船の発明は、船体外皮によって風船状に形成された気嚢内を柔軟な隔膜によって浮揚気体収容部と空気収容部とに上下に区画すると共に、上記浮揚気体収容部内に収容された浮揚気体と空気収容部内に収容された空気との容積比を可変して上昇せしめる成層圏用飛行船において、上記気嚢内に上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合された隔膜支持部材を有し、上記隔膜は、該隔膜の外周が船体外皮の中間高さ位置に沿って気密状態で結合されると共に、中央部が上記隔膜支持部材によって気嚢の中央部中間高さ位置に気密状態で結合支持され、該隔膜の展開状態は、上方に展開したときは船体外皮の上半分及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該上半分の形状より小さい形状であり、下方に展開したときは船体外皮の下半分の及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該下半分の形状より小さい形状であることを特徴とする。
【００１８】
請求項１の発明によると、空気収容部内の空気及び浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜の形状変化は、隔膜の外周が船体外皮の中間高さ位置に沿って結合されると共に、船体外皮の上面中央部に上端が結合され下端が船体外皮の下面中央部に結合された隔膜支持部材によって隔膜の中央部が気嚢の中央部中間高さ位置に結合されることから、隔膜の中央部がほぼ所定の位置に固定されてスロッシングの発生が抑制されて、隔膜が中央部を対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられる。その結果、常に浮揚気体収容部内の浮揚気体が偏在することなく浮揚気体の浮力バランスが確保される。従って、浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定浮上させて滞留させることが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の成層圏用飛行船において、上記隔膜支持部材は、懸下索であって、該懸下索の中間高さ位置に上記隔膜の中央部が結合されたことを特徴とする請求項１に記載の成層圏用飛行船。
【００２０】
請求項２に記載の発明によると、隔膜の中央部を結合支持する隔膜支持部材が、気嚢内に上下方向に延在して上端及び下端が船体外皮の上面及び下面の中央部に結合される懸下索によって容易に形成される。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項２の成層圏用飛行船において、上記懸下索は、上記気嚢の前後方向に延在する中心線を通り上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合されたことを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明によると、懸下索が気嚢の中心線を通るように配設することから、スロッシングの発生が抑制されて隔膜が中央部を中心に左右対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、浮揚気体の浮力のバランスがより確実に確保され、より円滑に浮揚気体及び空気の容積比を変化させることが可能になり、安定した浮上が確保される。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項３の成層圏用飛行船において、上記懸下索は、上記中心線に沿って複数配置されたことを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明によると、空気収容部内の空気容積と浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜の形状変化が、隔膜の中央部が中心線に沿って配置された複数の懸下索によって連続的に結合支持されることから、隔膜の中央部が中心線に沿った複数箇所で固定されてスロッシングの発生がより効果的に抑制されて、隔膜が中央部を中心に左右対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、浮揚気体の浮力の左右バランスがより確実に確保され、比較的大きな気嚢であっても円滑に浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を変化させることが可能になり、安定した浮上がもたらされる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４の成層圏用飛行船において、上記懸下索の下端に船体外皮の下面下方に配置される搭載物支持部材が吊下支持されたことを特徴とする。
【００２６】
請求項５の発明によると、上端が船体外皮の上面中央部に結合され気嚢内を通り下端が船体外皮の下面中央部に結合された懸下索の下端に搭載物を積載する搭載物支持部材が吊下支持されることから、搭載物支持部材及び搭載物の荷重が懸下索を介して船体外皮の上面中央部に直接的に作用する。この結果、浮揚気体の浮力が作用する浮揚気体収容部の上面中央部に懸下索を介して搭載支持部及び搭載物の荷重が下方に向かって作用して浮力による船体外皮の上面の変形が抑制され、浮揚気体収容部の形状が維持されて浮揚気体の偏在が抑制されて浮力のバランスが保持され、かつ、気嚢の形状が保持されて飛行船の空力安定性が得られる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項５の成層圏用飛行船において、上記搭載物支持部材及び該搭載物支持部材に搭載された搭載物は、外周が船体外皮の下面に結合されて整流機能を果たす薄膜フェアリングによって覆われると共に、該薄膜フェアリングの張力によって揺動が抑制されたことを特徴とする。
【００２８】
請求項６の発明によると、外気流の整流を機能を兼ねる薄膜フェアリングの張力によって搭載物支持部材及び搭載物の揺動が拘束され、吊り下げ支持された搭載物支持部材及び搭載物等が安定的に保持されると共に、揺動を拘束する他の手段を省略することが可能になり、構造の簡素化及び軽量化がもたらされる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項２〜４の成層圏用飛行船において、上記懸下索と同軸乃至平行に電力ケーブルが配設されたことを特徴とする。
【００３０】
請求項７の発明によると、電力ケーブルを、気嚢内を貫通して配設することによって、従来のように船体外皮の外面に沿って設ける電力ケーブルの配線に比べ、電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が得られ、かつ電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００３１】
請求項８に記載の発明は、請求項７の成層圏用飛行船において、上記電力ケーブルは、上記船体外皮の上面上に配設された太陽電池モジュールと船体外皮の下面下に配設される搭載物とを配線する電力ケーブルであることを特徴とする。
【００３２】
請求項８の発明によると、太陽電池モジュールと搭載物支持部材に搭載された蓄電池等の搭載物を連結する電力ケーブルが、気嚢内を貫通して船体外皮の上面中央部と下面中央部とを連結する懸下索と同軸或いは平行に配設することによって最短距離で電力配線がなされ、気嚢の外周に沿って電力ケーブルを配線する従来の飛行船に比べ電力ケーブルの短縮が得られ、動力損失及び重量の削減が確保できるとともに、電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による成層圏用飛行船の実施の形態を図によって説明する。
【００３４】
図１は、成層圏用飛行船１の側面図であり、図２は図１の縦断面図、図３は図２のＩ−Ｉ線断面図である。なお、矢印Ｆは飛行船１の前方方向を示している。
【００３５】
成層圏用飛行船１は、例えば断面略円形で側面視略楕円形に形成された気嚢１０に種々の装置や部材が固定されている。
【００３６】
気嚢１０は、船体外皮１１によって形成された略楕円球の風船状であって、船体外皮１１の上面上に太陽電池モジュール４１が接着断熱層を介在して張設され、船体外皮１１内の前部及び後部に各々バロネット４２及び４３が設けられている。
【００３７】
バロネット４２及び４３は空気入りの小気嚢であって、低高度では空気を入れて気嚢１０内の圧力を保持し、高度が上がり外気圧の低下に伴って発生する気嚢１０内の内圧との差圧に対応して空気を排出して気嚢１０の外形形状、即ち飛行船１の形状を保持すると共に、前後に配設されたバロネット４２と４３の空気容量を調節して飛行船１のバランスを保持するものである。
【００３８】
飛行船１の後部には推進装置４５及び安定板４６等が設けられ、船体外皮１１の下面下方には、例えば装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８が配設される。
【００３９】
気嚢１０内は、柔軟な隔膜である柔軟膜１２によって浮揚気体収容部２０と空気収容部３０とに上下に区画されている。柔軟膜１２はその外周が全周に亘って船体外皮１１の略中間高さ位置に沿って気密状態で結合されると共に、中央部が隔膜支持部材によって気嚢１０内の中間高さ位置に結合支持されている。この隔膜支持部材は、気嚢１０の前後方向に通る中心線ａを通り略垂直に延在し、かつ中心線ａに沿って複数平行配置されて船体外皮１１の上面中央部と下面中央部を連結する懸下索１３によって形成され、各懸下索１３の略中間高さ位置に柔軟膜１２が結合されている。
【００４０】
柔軟膜１２と懸下索１３との結合部は、図４（ａ）にその縦断面図を示し、同図（ｂ）に（ａ）のＩＩ矢視図を示すように、懸下索１３の外周に軟質ゴム等で形成された筒状のシール部品１５を嵌合すると共に、中央がシール部品１５に嵌合する筒状の連結部１６ａによって連結され、かつ柔軟膜１２に穿設された挿通孔１２ａの周囲を上下から挟持する円板状の一対の挟持部１６ｂからなる保持リング１６によって浮揚気体収容部２０と空気収容部３０との気密を確保した状態で柔軟膜１２と懸下索１３が結合されている。
【００４１】
この柔軟膜１２の展開形状は、船体外皮１１の上半分或いは下半分の形状に近似した形状であるが、空気収容部３０内に配設されるバロネット４２、４３や浮揚気体収容部２０の上部に配置される浮揚気体薄膜タンク２１との干渉を回避するために船体外皮１１の上半分或いは下半分の形状より若干小さく形成されている。より具体的には、柔軟膜１２の展開状態は、上方に展開したときは船体外皮１１の上半分及び船体外皮１１の上面中央部と下面中央部を連結する懸架索１３の形状に沿った形状でかつ船体外皮１１の上半分の形状より若干小さく形成され、下方に展開したときは船体外皮１１の下半分及び懸架索１３の形状に沿った形状でかつ船体外皮１１の下半分の形状より若干小さく形成される。
【００４２】
浮揚気体薄膜タンク２１は、気嚢１０内の全容積、即ち浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体容積と空気収容部３０内の空気容積との全容積の約１４分の１の容積に設定されている。
【００４３】
更に、船体外皮１１の下面中央部に結合される懸下索１３の下端１３ａには、気嚢１０の下面下に配設されて、装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８の上端が吊下されると共に、これら搭載物支持部材４８及び搭載物４７等は外周が船体外皮１１の下面に結合されて外気流の整流機能を兼ねる薄膜フェアリング４９で覆い、薄膜フェアリング４９の張力によって搭載物支持部材４８の揺動を拘束している。
【００４４】
この薄膜フェアリング４９の張力によって搭載物支持部材４８及び搭載物４７等の揺動を拘束することから、吊り下げ支持された搭載物支持部材４８及び搭載物４７等が安定的に保持されると共に、揺動を拘束する他の手段を省略することが可能或いは簡素化が可能になり、構造の簡素化及び軽量化がもたらされる。
【００４５】
また、懸下索１３と同軸或いは懸下索１３と平行に太陽電池モジュール４１と搭載物支持部材４８に搭載された搭載物４７、例えば蓄電池等を連結する電力ケーブル（図示せず）が設けられている。本実施の形態では懸下索１３と同軸に電力ケーブルが設けられている。
【００４６】
更に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図を図５に示すように、船体外皮１１の上部には、浮揚気体薄膜タンク２１内に浮揚気体を注入するための浮揚気体注入部２３が取り付けられ、浮揚気体注入部２３にはバルブ（図示せず）が設けられている。また、浮揚気体薄膜タンク２１には、浮揚気体収容部２０に浮揚気体を排出するための浮揚気体ベントバルブ２４が設けられている。
【００４７】
一方、船体外皮１１の下部には、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図を図６に示すように、空気収容部３０内に外気を加圧供給する空気吸入ブロア３１及び空気収容部３０内の空気を排出するための空気ベントバルブ３２が配設されている。
【００４８】
次に、このように構成された成層圏用飛行船１の作動について作動状態を示す図７及び図８を参照して説明する。
【００４９】
図７は、飛行船１の作動状態を示す説明図であって、同図（ｂ）は、地上における状態を示し、同図（ｃ）は上昇及び下降状態を示し、同図（ｄ）は成層圏における状態を示している。なお、同図（ｃ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、（ｂ）及び（ｄ）は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００５０】
飛行船１は、地上における発進前の状態において、図７（ａ）に示すように、浮揚気体注入部２３から浮揚気体薄膜タンク２１内にヘリウムガス等の浮揚気体を注入し、この浮揚気体は浮揚気体薄膜タンク２１内から浮揚気体ベントバルブ２４を介して浮揚気体収容部２０内にも供給される。
【００５１】
次に、浮揚気体注入部２３のバルブ及び空気ベントバルブ３２を閉じ、空気吸入ブロア３１により空気収容部３０内に例えば外気より約５００〜１０００ｐａ高く外気を吸入加圧して気嚢１０の形状を保持する。この状態では、図７（ｂ）に示すように柔軟膜１２は空気収容部３０内の加圧された空気により船体外皮１１の上半分及び懸下索１３の形状に沿った形状で上方に押し上げられ浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体は空気収容部３０内の空気圧と均衡のとれた例えば約５００〜１０００Ｐａに加圧されている。しかる後、浮揚気体収容部２０と浮揚気体薄膜タンク２１とを連通せしめる浮揚気体ベントバルブ２４を閉じて浮上発進の準備がなされる。
【００５２】
飛行船１の上昇は、浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体による浮力から飛行船１の装備重量を減じた浮力、即ち余剰浮力によって上昇を開始する。飛行船１の上昇に伴って外気圧が徐々に低下し、この外気圧の低下に伴って気嚢１０の内圧と外気圧との差圧が徐々に増大し、この差圧は船体外皮１１に張力を発生させる。
【００５３】
この船体外皮１１に発生する張力が過大になると、船体外皮１１の破損を誘発することから、差圧を安全余裕を考慮して所定の制限差圧下に保持するために空気ベントバルブ３２を開放して空気収容部３０内の空気を排出して空気容積を減らして気嚢１０内を減圧する。
【００５４】
この空気収容部３０内の空気容積の減少に伴って発生する浮揚気体収容部２０内の浮揚気体圧と、空気収容部３０内の空気圧との差圧に従って浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の膨張が始まる。浮揚気体の膨張により浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の圧力が減少して浮揚気体収容部２０内の浮揚気体と浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体との間に差圧が発生し始める。この差圧は浮揚気体薄膜タンク２１の被膜に張力を発生させる。この張力は浮揚気体薄膜タンク２１の被膜の破損を誘発することから、この破損防止のため所定の制限差圧に達した状態で浮揚気体ベントバルブ２４を開放して浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体を浮揚気体収容部２０に送出する。
【００５５】
浮揚気体収容部２０内に送出された浮揚気体は、気嚢１０内の空気排出によって減少した空気容積を補填すべく膨張して図７（ｃ）に示すように柔軟膜１２を押し下げ気嚢１０内の容積が一定に保たれると共に、気嚢１０内の圧力が低減されて気嚢１０内と外気との差圧が制限差圧以下に保たれる。
【００５６】
飛行船１の上昇に伴って、この空気収容部３０内の空気排出及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体の浮揚気体収容部２０内への送出を連続的に繰り返すことによって、次第に空気収容部３０内の空気容量が減少し、減少した空気容量を補填するように浮揚気体収容部２０内の浮揚気体が膨張して順次柔軟膜１２が図７（ｄ）に示すように船体外皮１１の下半分及び懸架索１３の形状に沿った形状に押し下げられて気嚢１０内の容積が一定に保持され、かつ気嚢１０内の圧力が低減されて気嚢１０内と外気との差圧が制限差圧以下に保たれた状態で例えば高度１７ｋｍから２２ｋｍの成層圏まで上昇せしめられる。
【００５７】
この空気収容部３０内の空気容積の減少及び浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の膨張に伴う柔軟膜１２の形状変化は、柔軟膜１２の外周が全周に亘って船体外皮１１の略中間高さ位置に結合され中央部が前後方向に連続的に複数の懸下索１３に結合されることから、柔軟膜１２の中央部がほぼ所定の位置に固定されてスロッシング現象の発生が抑制され、柔軟膜１２の中央部を中心に左右対称或いは略対称にバランスを保った状態で行われる。
【００５８】
この結果、常に浮揚気体収容部２０内の浮揚気体が偏在することがなく、気嚢１０に作用する浮揚気体の浮力のバランスが確保される。従って、浮揚気体収容部２０内の浮揚気体及び空気収容部３０内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定した状態で浮上させて滞留させることが可能になると共に、気嚢１０の大型化が可能になり、飛行船１の大型化がもたらされる。
【００５９】
更に、上端が船体外皮１１の上面中央部に結合されて気嚢１０内の中央部を通り下端が船体外皮１１の下面中央部の下部中央に結合された懸下索１３の下端に装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８が吊下支持されることから、図８に示すように搭載物支持部材４８及び搭載物４７の荷重Ｗが懸下索１３を介して船体外皮１１の上面中央部に直接的に作用する。
【００６０】
即ち、船体外皮１１に作用する浮揚気体の浮力ｐの作用中心となる船体外皮１１の上面中央部に懸下索１３を介して搭載物支持部４８及び搭載物４７の加重Ｗが下方に向かって作用して浮力ｐによる浮揚気体収容部２０の変形が抑制されて浮揚気体収容部２０の上面形状が維持されて浮揚気体の偏在が抑制されて気嚢１０に作用する浮力のバランスが保持される。なお、矢印Ｐは浮力ｐの合計を示している。また、船体外皮１１の上面形状の変形が抑制され、気嚢１０の形状が保持されて飛行船１の空力安定性が得られる。
【００６１】
更に、太陽電池モジュール４１と搭載物支持部材４７に搭載された蓄電池等を連結する電力ケーブルを、気嚢１０内を貫通して船体外皮１１の上面中央部と下面中央部とを連結する懸下索１３と同軸或いは平行に配設することによって最短距離で電力配線がなされ、気嚢の外周に沿って電力ケーブルを配線する従来の飛行船に比べて電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が確保できるとともに、電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００６２】
なお、本発明の成層圏用飛行船は、上記実施の形態に限定されることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では懸下索を複数配設したが、比較的小さい飛行船においては一本の懸下索によって形成することも可能であり、また、懸下索の中間高さ位置において柔軟膜を結合支持したが、バロネットや浮揚気体薄膜タンク等の形状や大きさにより柔軟膜の結合部を懸下索の上方部位或いは下方位置に変移して懸下索と柔軟膜とを結合することも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した成層圏用飛行船によると、隔膜の中央部が隔膜支持部材によって気嚢の中央部中間高さ位置に結合支持することから隔膜の中央部が所定の位置に固定され、空気収容部内の空気及び浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜のスロッシング現象の発生が抑制され、隔膜が中央部を対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、常に浮揚気体収容部内の浮揚気体が偏在することがなく、浮揚気体の浮力のバランスが確保され、浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定浮上させるて滞留させることが可能になる。
【００６４】
また、隔膜支持部を上端が船体外皮の上面中央部に結合され気嚢内を通り下端が船体外皮の下面中央部に結合された懸下索によって形成し、懸下索の下端に船体外皮の下面下に配置される搭載物支持部材を吊下支持することによって、搭載物支持部材及び搭載物の荷重が懸下索を介して船体外皮の上面中央部に直接的に作用せしめ、浮揚気体の浮力が作用する船体外皮の上面中央部に懸下索を介して搭載支持部及び搭載物の荷重を作用させることによって、浮力による船体外皮の上面の変形が抑制されて浮揚気体の偏在が抑制されて浮力のバランスが保持され、かつ、気嚢の形状が保持されて飛行船の空力安定性が得られる。
【００６５】
また、懸下索と同軸乃至平行に電力ケーブルを気嚢内を貫通して配設することによって、船体外皮に沿って設ける電力ケーブルの配線に比べ、電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が得られ、かつ電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成層圏用飛行船の実施の形態の概要を示す側面図である。
【図２】同じく、図１の縦断面図である。
【図３】同じく、図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】同じく、柔軟膜と懸下索との結合部を説明する図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ矢視図である。
【図５】同じく、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図６】同じく、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図７】同じく、飛行船の作動状態を示す説明図であって、（ａ）及び（ｂ）は、地上における状態を示し、（ｃ）は上昇・下降状態を示し、（ｄ）は成層圏における状態を示す断面図である。
【図８】同じく、搭載荷重の作用状態を示す断面図である。
【図９】従来の飛行船の概略を示す概略側面図である。
【図１０】同じく、図９のＶ−Ｖ線断面図である。
【図１１】同じく、図９のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図１２】同じく、図９のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図１３】同じく、飛行船の成層圏における滞留状態を示す断面図である。
【図１４】同じく、飛行船の上昇状態を示す断面図である。
【図１５】同じく、搭載荷重が作用している状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 成層圏用飛行船
１０ 気嚢
１１ 船体外皮
１２ 柔軟膜（隔膜）
１３ 懸下索（隔膜支持部材）
１３ａ 下端
２０ 浮揚気体収容部
２１ 浮揚気体薄膜タンク
２３ 浮揚気体注入部
２４ 浮揚気体ベントバルブ
３０ 空気収容部
３１ 空気吸入ブロア
３２ 空気ベントバルブ
４１ 太陽電池モジュール
４７ 搭載物
４８ 搭載物支持部材
４９ 薄膜フェアリング
ａ 中心線
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行船に関し、特に気嚢内を隔膜によって浮揚気体収容部と空気収容部とに区分する成層圏用飛行船に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、飛行船の用途は、気圧変化の比較的少ない低高度（高度数Ｋｍ以下）での広告宣伝、イベント中継、監視、警戒警備、輸送や観光用等が主であり、このような低高度で使用される飛行船における浮上高度を変える方法は、飛行高度を大幅に変化させる必要がないことから、最高浮上高度に耐えるように気嚢の容積を決め、地上より浮上後はバラストを捨てながら上昇し、最高高度に達した後は、浮揚気体の一部を放出して空気と入れ替えることによって行われる。
【０００３】
一方、大気密度が海上付近に比べ約１４〜１５分の１に希薄化する成層圏と称される高々度（例えば高度１７〜２２Ｋｍ）へ上昇するには、浮力を生み出すヘリウムガス等の浮揚気体の容積を１４〜１５倍と大幅に変化させる可変機構が不可欠となっている。
【０００４】
この容積可変機構は、例えば特開昭５４−７０５９７号公報に開示されるように、浮揚気体が収容された気嚢の外皮をローラによって巻き取ることにより、或いは対向配置された複数のローラによって気嚢の外皮を擦り込んで収納することによって、気嚢容積を小さくして内部圧力を増加させることによって静浮力を減らして飛行船を下降させ、また逆に外皮を繰り出すことによって気嚢容積を大きくして内部圧力を低下させることによって静浮力を増大させて、飛行船を浮上させるものが提案されている。
【０００５】
しかし、この容積可変機構を備えた飛行船によると、気嚢の容積を可変制御することから飛行船の外形が大きく変化するものであり、空力特性が大きく変化して安定した状態での上昇が妨げられる。
【０００６】
この対策として、図９に飛行船の概略側面図を示し、図１０に図９のＶ−Ｖ線断面図を示すように、風船状の船体外皮１０２内を隔膜となる柔軟膜１０３によって浮揚気体収容部１０４と空気収容部１０５とに区画した気嚢１０１を使用した飛行船がある。
【０００７】
浮揚気体収容部１０４内の上部に浮揚気体薄膜タンク１０６が設けられ、空気収容部１０５の前部及び後部には、船体外皮１０２の形状、即ち気嚢１０１の形状を保持し、かつ飛行船のバランスを保つバロネット１０７が配設されている。更に、気嚢１０１の上面上に太陽電池モジュール１０８が設けられ、下部に装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物１０９を吊り下げ支持すると共に、太陽電池モジュール１０８と蓄電池等は気嚢１０１の外周に沿って配設なされた電力ケーブル１１０によって連結されている。
【０００８】
この飛行船は、地上における発進前の状態では、図１１に図９のＶＩ−ＶＩ線断面図を示し、図１２に図９のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図を示すように、浮揚気体注入部１１１より浮揚気体薄膜タンク１０６内に例えばヘリウムガス等の浮揚気体を注入し、浮揚気体注入部１１１のバルブを閉じた後、空気収容部１０５内に空気吸入ブロア１１２により外気を吸入加圧して船体外皮１０２の形状を保持する。このとき空気収容部１０５の空気ベントバルブ１１３は閉じられており、柔軟膜１０３は上方に押し上げられて、図１２に示すように浮揚気体薄膜タンク１０６内及び浮揚気体薄膜タンク１０６から浮揚気体収容部１０４内に供給された浮揚気体は加圧されている。
【０００９】
飛行船の上昇は、浮揚気体収容部１０４及び浮揚気体薄膜タンク１０６内の浮揚気体による浮力から飛行船の装備重量を減じた浮力、即ち余剰浮力によって上昇を開始し、上昇に伴って外気圧が徐々に低下する。この外気圧の低下に伴って気嚢１０１の内圧と外気圧との差圧が徐々に増大する。この差圧を所定の制限内に保持するために空気ベントバルブ１１３を開き空気収容部１０５内の空気を排出することで空気容積を減らして調節する。この空気容積の調節に伴って、浮揚気体薄膜タンク１０６内と浮揚気体収容部１０４内との間に差圧が発生する。この差圧を所定以下にするために浮揚気体ベントバルブ１１４を開放して浮揚気体薄膜タンク１０６から浮揚気体収容部１０４内に浮揚気体が送出される。
【００１０】
浮揚気体収容部１０４内に送出された浮揚気体は、膨張して余剰浮力が確保されて飛行船が上昇を続けると共に、空気排出によって減少した空気容積を補填し船体外皮１０２内の容積が一定に保持されて気嚢１０１の外形がほぼ保たれる。
【００１１】
飛行船が成層圏に上昇した状態では、図１３に断面図を示すように気嚢１０１内は、空気収容部１０５内の空気容積が大幅に減少し、浮揚気体収容部１０４内の膨張した浮揚気体によって柔軟膜１０３が押し下げられた状態で空中に滞留する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記、飛行船によると、上昇に伴う外気圧の低下に伴う気嚢１０１の内圧と外気圧との差圧を、空気収容部１０５内の空気容積を減少調節して浮揚気体を膨張せしめることによって余剰浮力が確保され、かつ減少した空気容積が増大する浮揚気体容積によって補填されて気嚢１０１内の容積が一定に保持され、気嚢１０１、即ち飛行船の外形がほぼ保たれる。
【００１３】
しかし、浮揚気体収容部１０４と空気収容部１０５とを区画する柔軟膜１０３は、その周囲が船体外皮１０２に接合された広大な膜状であることから、空気収容部１０５内の空気容積の減少に伴う浮揚気体容積の増大に追従した柔軟膜１０３の円滑な変化が困難であり、例えば図１４に示すように柔軟膜１０３がスロッシング、即ち波動現象を起こし、気嚢１０１内の浮揚気体の偏在が誘発され、浮揚気体の偏在に起因して浮力のバランスが崩れて安定した状態での成層圏への浮上が妨げられることが懸念される。この結果、柔軟膜１０３の大きさが抑制されて浮揚気体容積と空気容積の容積比の可変調節範囲が抑制される。
【００１４】
また、気嚢１０１の下部に搭載物１０９が吊り下げ支持されることから、船体外皮１０２の下部側面に直接的に搭載荷重Ｗが作用する。この結果、図１５に示すように一点鎖線で示す状態から気嚢１０１の断面形状が略楕円形に変形して外形形状を歪め、浮揚気体収容部１０４内の浮揚気体が偏在して浮力のバランスの崩れを誘発して空力安定性の低下を招く結果、安定した状態での浮上が妨げられ、かつ搭載荷重Ｗが作用する船体外皮１０２の下部側面の強度を確保するための補強ダブラ等の補強部材が必要になり、飛行船の重量増加を招く要因となる。
【００１５】
更に、太陽電池モジュール１０７と蓄電池を結ぶ電力ケーブル１１０が気嚢１０１の外周に沿って露出して配設なされることから、電力配線経路が長く、電力損失及び重量が増大し、かつ外部に露出した電力ケーブル１１０によって有害な空力抵抗の発生が懸念される。
【００１６】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、浮揚気体容積を大幅にかつ円滑に変化させて成層圏に安定浮上し滞留することが得られる成層圏用飛行船を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載の成層圏用飛行船の発明は、船体外皮によって風船状に形成された気嚢内を柔軟な隔膜によって浮揚気体収容部と空気収容部とに上下に区画すると共に、上記浮揚気体収容部内に収容された浮揚気体と空気収容部内に収容された空気との容積比を可変して上昇せしめる成層圏用飛行船において、上記気嚢内に上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合された隔膜支持部材を有し、上記隔膜は、該隔膜の外周が船体外皮の中間高さ位置に沿って気密状態で結合されると共に、中央部が上記隔膜支持部材によって気嚢の中央部中間高さ位置に気密状態で結合支持され、該隔膜の展開状態は、上方に展開したときは船体外皮の上半分及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該上半分の形状より小さい形状であり、下方に展開したときは船体外皮の下半分の及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該下半分の形状より小さい形状であることを特徴とする。
【００１８】
請求項１の発明によると、空気収容部内の空気及び浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜の形状変化は、隔膜の外周が船体外皮の中間高さ位置に沿って結合されると共に、船体外皮の上面中央部に上端が結合され下端が船体外皮の下面中央部に結合された隔膜支持部材によって隔膜の中央部が気嚢の中央部中間高さ位置に結合されることから、隔膜の中央部がほぼ所定の位置に固定されてスロッシングの発生が抑制されて、隔膜が中央部を対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられる。その結果、常に浮揚気体収容部内の浮揚気体が偏在することなく浮揚気体の浮力バランスが確保される。従って、浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定浮上させて滞留させることが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の成層圏用飛行船において、上記隔膜支持部材は、懸下索であって、該懸下索の中間高さ位置に上記隔膜の中央部が結合されたことを特徴とする請求項１に記載の成層圏用飛行船。
【００２０】
請求項２に記載の発明によると、隔膜の中央部を結合支持する隔膜支持部材が、気嚢内に上下方向に延在して上端及び下端が船体外皮の上面及び下面の中央部に結合される懸下索によって容易に形成される。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項２の成層圏用飛行船において、上記懸下索は、上記気嚢の前後方向に延在する中心線を通り上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合されたことを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明によると、懸下索が気嚢の中心線を通るように配設することから、スロッシングの発生が抑制されて隔膜が中央部を中心に左右対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、浮揚気体の浮力のバランスがより確実に確保され、より円滑に浮揚気体及び空気の容積比を変化させることが可能になり、安定した浮上が確保される。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項３の成層圏用飛行船において、上記懸下索は、上記中心線に沿って複数配置されたことを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明によると、空気収容部内の空気容積と浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜の形状変化が、隔膜の中央部が中心線に沿って配置された複数の懸下索によって連続的に結合支持されることから、隔膜の中央部が中心線に沿った複数箇所で固定されてスロッシングの発生がより効果的に抑制されて、隔膜が中央部を中心に左右対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、浮揚気体の浮力の左右バランスがより確実に確保され、比較的大きな気嚢であっても円滑に浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を変化させることが可能になり、安定した浮上がもたらされる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４の成層圏用飛行船において、上記懸下索の下端に船体外皮の下面下方に配置される搭載物支持部材が吊下支持されたことを特徴とする。
【００２６】
請求項５の発明によると、上端が船体外皮の上面中央部に結合され気嚢内を通り下端が船体外皮の下面中央部に結合された懸下索の下端に搭載物を積載する搭載物支持部材が吊下支持されることから、搭載物支持部材及び搭載物の荷重が懸下索を介して船体外皮の上面中央部に直接的に作用する。この結果、浮揚気体の浮力が作用する浮揚気体収容部の上面中央部に懸下索を介して搭載支持部及び搭載物の荷重が下方に向かって作用して浮力による船体外皮の上面の変形が抑制され、浮揚気体収容部の形状が維持されて浮揚気体の偏在が抑制されて浮力のバランスが保持され、かつ、気嚢の形状が保持されて飛行船の空力安定性が得られる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項５の成層圏用飛行船において、上記搭載物支持部材及び該搭載物支持部材に搭載された搭載物は、外周が船体外皮の下面に結合されて整流機能を果たす薄膜フェアリングによって覆われると共に、該薄膜フェアリングの張力によって揺動が抑制されたことを特徴とする。
【００２８】
請求項６の発明によると、外気流の整流を機能を兼ねる薄膜フェアリングの張力によって搭載物支持部材及び搭載物の揺動が拘束され、吊り下げ支持された搭載物支持部材及び搭載物等が安定的に保持されると共に、揺動を拘束する他の手段を省略することが可能になり、構造の簡素化及び軽量化がもたらされる。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項２〜４の成層圏用飛行船において、上記懸下索と同軸乃至平行に電力ケーブルが配設されたことを特徴とする。
【００３０】
請求項７の発明によると、電力ケーブルを、気嚢内を貫通して配設することによって、従来のように船体外皮の外面に沿って設ける電力ケーブルの配線に比べ、電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が得られ、かつ電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００３１】
請求項８に記載の発明は、請求項７の成層圏用飛行船において、上記電力ケーブルは、上記船体外皮の上面上に配設された太陽電池モジュールと船体外皮の下面下に配設される搭載物とを配線する電力ケーブルであることを特徴とする。
【００３２】
請求項８の発明によると、太陽電池モジュールと搭載物支持部材に搭載された蓄電池等の搭載物を連結する電力ケーブルが、気嚢内を貫通して船体外皮の上面中央部と下面中央部とを連結する懸下索と同軸或いは平行に配設することによって最短距離で電力配線がなされ、気嚢の外周に沿って電力ケーブルを配線する従来の飛行船に比べ電力ケーブルの短縮が得られ、動力損失及び重量の削減が確保できるとともに、電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による成層圏用飛行船の実施の形態を図によって説明する。
【００３４】
図１は、成層圏用飛行船１の側面図であり、図２は図１の縦断面図、図３は図２のＩ−Ｉ線断面図である。なお、矢印Ｆは飛行船１の前方方向を示している。
【００３５】
成層圏用飛行船１は、例えば断面略円形で側面視略楕円形に形成された気嚢１０に種々の装置や部材が固定されている。
【００３６】
気嚢１０は、船体外皮１１によって形成された略楕円球の風船状であって、船体外皮１１の上面上に太陽電池モジュール４１が接着断熱層を介在して張設され、船体外皮１１内の前部及び後部に各々バロネット４２及び４３が設けられている。
【００３７】
バロネット４２及び４３は空気入りの小気嚢であって、低高度では空気を入れて気嚢１０内の圧力を保持し、高度が上がり外気圧の低下に伴って発生する気嚢１０内の内圧との差圧に対応して空気を排出して気嚢１０の外形形状、即ち飛行船１の形状を保持すると共に、前後に配設されたバロネット４２と４３の空気容量を調節して飛行船１のバランスを保持するものである。
【００３８】
飛行船１の後部には推進装置４５及び安定板４６等が設けられ、船体外皮１１の下面下方には、例えば装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８が配設される。
【００３９】
気嚢１０内は、柔軟な隔膜である柔軟膜１２によって浮揚気体収容部２０と空気収容部３０とに上下に区画されている。柔軟膜１２はその外周が全周に亘って船体外皮１１の略中間高さ位置に沿って気密状態で結合されると共に、中央部が隔膜支持部材によって気嚢１０内の中間高さ位置に結合支持されている。この隔膜支持部材は、気嚢１０の前後方向に通る中心線ａを通り略垂直に延在し、かつ中心線ａに沿って複数平行配置されて船体外皮１１の上面中央部と下面中央部を連結する懸下索１３によって形成され、各懸下索１３の略中間高さ位置に柔軟膜１２が結合されている。
【００４０】
柔軟膜１２と懸下索１３との結合部は、図４（ａ）にその縦断面図を示し、同図（ｂ）に（ａ）のＩＩ矢視図を示すように、懸下索１３の外周に軟質ゴム等で形成された筒状のシール部品１５を嵌合すると共に、中央がシール部品１５に嵌合する筒状の連結部１６ａによって連結され、かつ柔軟膜１２に穿設された挿通孔１２ａの周囲を上下から挟持する円板状の一対の挟持部１６ｂからなる保持リング１６によって浮揚気体収容部２０と空気収容部３０との気密を確保した状態で柔軟膜１２と懸下索１３が結合されている。
【００４１】
この柔軟膜１２の展開形状は、船体外皮１１の上半分或いは下半分の形状に近似した形状であるが、空気収容部３０内に配設されるバロネット４２、４３や浮揚気体収容部２０の上部に配置される浮揚気体薄膜タンク２１との干渉を回避するために船体外皮１１の上半分或いは下半分の形状より若干小さく形成されている。より具体的には、柔軟膜１２の展開状態は、上方に展開したときは船体外皮１１の上半分及び船体外皮１１の上面中央部と下面中央部を連結する懸架索１３の形状に沿った形状でかつ船体外皮１１の上半分の形状より若干小さく形成され、下方に展開したときは船体外皮１１の下半分及び懸架索１３の形状に沿った形状でかつ船体外皮１１の下半分の形状より若干小さく形成される。
【００４２】
浮揚気体薄膜タンク２１は、気嚢１０内の全容積、即ち浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体容積と空気収容部３０内の空気容積との全容積の約１４分の１の容積に設定されている。
【００４３】
更に、船体外皮１１の下面中央部に結合される懸下索１３の下端１３ａには、気嚢１０の下面下に配設されて、装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８の上端が吊下されると共に、これら搭載物支持部材４８及び搭載物４７等は外周が船体外皮１１の下面に結合されて外気流の整流機能を兼ねる薄膜フェアリング４９で覆い、薄膜フェアリング４９の張力によって搭載物支持部材４８の揺動を拘束している。
【００４４】
この薄膜フェアリング４９の張力によって搭載物支持部材４８及び搭載物４７等の揺動を拘束することから、吊り下げ支持された搭載物支持部材４８及び搭載物４７等が安定的に保持されると共に、揺動を拘束する他の手段を省略することが可能或いは簡素化が可能になり、構造の簡素化及び軽量化がもたらされる。
【００４５】
また、懸下索１３と同軸或いは懸下索１３と平行に太陽電池モジュール４１と搭載物支持部材４８に搭載された搭載物４７、例えば蓄電池等を連結する電力ケーブル（図示せず）が設けられている。本実施の形態では懸下索１３と同軸に電力ケーブルが設けられている。
【００４６】
更に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図を図５に示すように、船体外皮１１の上部には、浮揚気体薄膜タンク２１内に浮揚気体を注入するための浮揚気体注入部２３が取り付けられ、浮揚気体注入部２３にはバルブ（図示せず）が設けられている。また、浮揚気体薄膜タンク２１には、浮揚気体収容部２０に浮揚気体を排出するための浮揚気体ベントバルブ２４が設けられている。
【００４７】
一方、船体外皮１１の下部には、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図を図６に示すように、空気収容部３０内に外気を加圧供給する空気吸入ブロア３１及び空気収容部３０内の空気を排出するための空気ベントバルブ３２が配設されている。
【００４８】
次に、このように構成された成層圏用飛行船１の作動について作動状態を示す図７及び図８を参照して説明する。
【００４９】
図７は、飛行船１の作動状態を示す説明図であって、同図（ｂ）は、地上における状態を示し、同図（ｃ）は上昇及び下降状態を示し、同図（ｄ）は成層圏における状態を示している。なお、同図（ｃ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、（ｂ）及び（ｄ）は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００５０】
飛行船１は、地上における発進前の状態において、図７（ａ）に示すように、浮揚気体注入部２３から浮揚気体薄膜タンク２１内にヘリウムガス等の浮揚気体を注入し、この浮揚気体は浮揚気体薄膜タンク２１内から浮揚気体ベントバルブ２４を介して浮揚気体収容部２０内にも供給される。
【００５１】
次に、浮揚気体注入部２３のバルブ及び空気ベントバルブ３２を閉じ、空気吸入ブロア３１により空気収容部３０内に例えば外気より約５００〜１０００ｐａ高く外気を吸入加圧して気嚢１０の形状を保持する。この状態では、図７（ｂ）に示すように柔軟膜１２は空気収容部３０内の加圧された空気により船体外皮１１の上半分及び懸下索１３の形状に沿った形状で上方に押し上げられ浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体は空気収容部３０内の空気圧と均衡のとれた例えば約５００〜１０００Ｐａに加圧されている。しかる後、浮揚気体収容部２０と浮揚気体薄膜タンク２１とを連通せしめる浮揚気体ベントバルブ２４を閉じて浮上発進の準備がなされる。
【００５２】
飛行船１の上昇は、浮揚気体収容部２０及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体による浮力から飛行船１の装備重量を減じた浮力、即ち余剰浮力によって上昇を開始する。飛行船１の上昇に伴って外気圧が徐々に低下し、この外気圧の低下に伴って気嚢１０の内圧と外気圧との差圧が徐々に増大し、この差圧は船体外皮１１に張力を発生させる。
【００５３】
この船体外皮１１に発生する張力が過大になると、船体外皮１１の破損を誘発することから、差圧を安全余裕を考慮して所定の制限差圧下に保持するために空気ベントバルブ３２を開放して空気収容部３０内の空気を排出して空気容積を減らして気嚢１０内を減圧する。
【００５４】
この空気収容部３０内の空気容積の減少に伴って発生する浮揚気体収容部２０内の浮揚気体圧と、空気収容部３０内の空気圧との差圧に従って浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の膨張が始まる。浮揚気体の膨張により浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の圧力が減少して浮揚気体収容部２０内の浮揚気体と浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体との間に差圧が発生し始める。この差圧は浮揚気体薄膜タンク２１の被膜に張力を発生させる。この張力は浮揚気体薄膜タンク２１の被膜の破損を誘発することから、この破損防止のため所定の制限差圧に達した状態で浮揚気体ベントバルブ２４を開放して浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体を浮揚気体収容部２０に送出する。
【００５５】
浮揚気体収容部２０内に送出された浮揚気体は、気嚢１０内の空気排出によって減少した空気容積を補填すべく膨張して図７（ｃ）に示すように柔軟膜１２を押し下げ気嚢１０内の容積が一定に保たれると共に、気嚢１０内の圧力が低減されて気嚢１０内と外気との差圧が制限差圧以下に保たれる。
【００５６】
飛行船１の上昇に伴って、この空気収容部３０内の空気排出及び浮揚気体薄膜タンク２１内の浮揚気体の浮揚気体収容部２０内への送出を連続的に繰り返すことによって、次第に空気収容部３０内の空気容量が減少し、減少した空気容量を補填するように浮揚気体収容部２０内の浮揚気体が膨張して順次柔軟膜１２が図７（ｄ）に示すように船体外皮１１の下半分及び懸架索１３の形状に沿った形状に押し下げられて気嚢１０内の容積が一定に保持され、かつ気嚢１０内の圧力が低減されて気嚢１０内と外気との差圧が制限差圧以下に保たれた状態で例えば高度１７ｋｍから２２ｋｍの成層圏まで上昇せしめられる。
【００５７】
この空気収容部３０内の空気容積の減少及び浮揚気体収容部２０内の浮揚気体の膨張に伴う柔軟膜１２の形状変化は、柔軟膜１２の外周が全周に亘って船体外皮１１の略中間高さ位置に結合され中央部が前後方向に連続的に複数の懸下索１３に結合されることから、柔軟膜１２の中央部がほぼ所定の位置に固定されてスロッシング現象の発生が抑制され、柔軟膜１２の中央部を中心に左右対称或いは略対称にバランスを保った状態で行われる。
【００５８】
この結果、常に浮揚気体収容部２０内の浮揚気体が偏在することがなく、気嚢１０に作用する浮揚気体の浮力のバランスが確保される。従って、浮揚気体収容部２０内の浮揚気体及び空気収容部３０内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定した状態で浮上させて滞留させることが可能になると共に、気嚢１０の大型化が可能になり、飛行船１の大型化がもたらされる。
【００５９】
更に、上端が船体外皮１１の上面中央部に結合されて気嚢１０内の中央部を通り下端が船体外皮１１の下面中央部の下部中央に結合された懸下索１３の下端に装備品、蓄電池、燃料電池、ミッションペイロード機器類等の搭載物４７等を積載する搭載物支持部材４８が吊下支持されることから、図８に示すように搭載物支持部材４８及び搭載物４７の荷重Ｗが懸下索１３を介して船体外皮１１の上面中央部に直接的に作用する。
【００６０】
即ち、船体外皮１１に作用する浮揚気体の浮力ｐの作用中心となる船体外皮１１の上面中央部に懸下索１３を介して搭載物支持部４８及び搭載物４７の加重Ｗが下方に向かって作用して浮力ｐによる浮揚気体収容部２０の変形が抑制されて浮揚気体収容部２０の上面形状が維持されて浮揚気体の偏在が抑制されて気嚢１０に作用する浮力のバランスが保持される。なお、矢印Ｐは浮力ｐの合計を示している。また、船体外皮１１の上面形状の変形が抑制され、気嚢１０の形状が保持されて飛行船１の空力安定性が得られる。
【００６１】
更に、太陽電池モジュール４１と搭載物支持部材４７に搭載された蓄電池等を連結する電力ケーブルを、気嚢１０内を貫通して船体外皮１１の上面中央部と下面中央部とを連結する懸下索１３と同軸或いは平行に配設することによって最短距離で電力配線がなされ、気嚢の外周に沿って電力ケーブルを配線する従来の飛行船に比べて電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が確保できるとともに、電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【００６２】
なお、本発明の成層圏用飛行船は、上記実施の形態に限定されることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では懸下索を複数配設したが、比較的小さい飛行船においては一本の懸下索によって形成することも可能であり、また、懸下索の中間高さ位置において柔軟膜を結合支持したが、バロネットや浮揚気体薄膜タンク等の形状や大きさにより柔軟膜の結合部を懸下索の上方部位或いは下方位置に変移して懸下索と柔軟膜とを結合することも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した成層圏用飛行船によると、隔膜の中央部が隔膜支持部材によって気嚢の中央部中間高さ位置に結合支持することから隔膜の中央部が所定の位置に固定され、空気収容部内の空気及び浮揚気体収容部内の浮揚気体の容積比の変化に伴う隔膜のスロッシング現象の発生が抑制され、隔膜が中央部を対称乃至略対称にバランスを保った状態で形状変化せしめられ、常に浮揚気体収容部内の浮揚気体が偏在することがなく、浮揚気体の浮力のバランスが確保され、浮揚気体収容部内の浮揚気体及び空気収容部内の空気の容積比を大幅にかつ円滑に変化させることが可能になり、成層圏に安定浮上させるて滞留させることが可能になる。
【００６４】
また、隔膜支持部を上端が船体外皮の上面中央部に結合され気嚢内を通り下端が船体外皮の下面中央部に結合された懸下索によって形成し、懸下索の下端に船体外皮の下面下に配置される搭載物支持部材を吊下支持することによって、搭載物支持部材及び搭載物の荷重が懸下索を介して船体外皮の上面中央部に直接的に作用せしめ、浮揚気体の浮力が作用する船体外皮の上面中央部に懸下索を介して搭載支持部及び搭載物の荷重を作用させることによって、浮力による船体外皮の上面の変形が抑制されて浮揚気体の偏在が抑制されて浮力のバランスが保持され、かつ、気嚢の形状が保持されて飛行船の空力安定性が得られる。
【００６５】
また、懸下索と同軸乃至平行に電力ケーブルを気嚢内を貫通して配設することによって、船体外皮に沿って設ける電力ケーブルの配線に比べ、電力ケーブルの短縮が得られ、電力損失及び重量の削減が得られ、かつ電力ケーブルが外部に露出することなく空気抵抗の低減がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成層圏用飛行船の実施の形態の概要を示す側面図である。
【図２】同じく、図１の縦断面図である。
【図３】同じく、図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】同じく、柔軟膜と懸下索との結合部を説明する図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ矢視図である。
【図５】同じく、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図６】同じく、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図７】同じく、飛行船の作動状態を示す説明図であって、（ａ）及び（ｂ）は、地上における状態を示し、（ｃ）は上昇・下降状態を示し、（ｄ）は成層圏における状態を示す断面図である。
【図８】同じく、搭載荷重の作用状態を示す断面図である。
【図９】従来の飛行船の概略を示す概略側面図である。
【図１０】同じく、図９のＶ−Ｖ線断面図である。
【図１１】同じく、図９のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図１２】同じく、図９のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図１３】同じく、飛行船の成層圏における滞留状態を示す断面図である。
【図１４】同じく、飛行船の上昇状態を示す断面図である。
【図１５】同じく、搭載荷重が作用している状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 成層圏用飛行船
１０ 気嚢
１１ 船体外皮
１２ 柔軟膜（隔膜）
１３ 懸下索（隔膜支持部材）
１３ａ 下端
２０ 浮揚気体収容部
２１ 浮揚気体薄膜タンク
２３ 浮揚気体注入部
２４ 浮揚気体ベントバルブ
３０ 空気収容部
３１ 空気吸入ブロア
３２ 空気ベントバルブ
４１ 太陽電池モジュール
４７ 搭載物
４８ 搭載物支持部材
４９ 薄膜フェアリング
ａ 中心線
Claims (8)
- 船体外皮によって風船状に形成された気嚢内を柔軟な隔膜によって浮揚気体収容部と空気収容部とに上下に区画すると共に、上記浮揚気体収容部内に収容された浮揚気体と空気収容部内に収容された空気との容積比を可変して上昇せしめる成層圏用飛行船において、
上記気嚢内に上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合された隔膜支持部材を有し、
上記隔膜は、
該隔膜の外周が船体外皮の中間高さ位置に沿って気密状態で結合されると共に、中央部が上記隔膜支持部材によって気嚢の中央部中間高さ位置に気密状態で結合支持され、
該隔膜の展開状態は、上方に展開したときは船体外皮の上半分及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該上半分の形状より小さい形状であり、下方に展開したときは船体外皮の下半分の及び上記隔膜支持部材の形状に沿い、かつ該下半分の形状より小さい形状であることを特徴とする成層圏用飛行船。 - 上記隔膜支持部材は、
懸下索であって、該懸下索の中間高さ位置に上記隔膜の中央部が結合されたことを特徴とする請求項１に記載の成層圏用飛行船。 - 上記懸下索は、
上記気嚢の前後方向に延在する中心線を通り上下方向に延在して上端が船体外皮の上面中央部に結合され、下端が船体外皮の下面中央部に結合されたことを特徴とする請求項２に記載の成層圏用飛行船。 - 上記懸下索は、
上記中心線に沿って複数配置されたことを特徴とする請求項３に記載の成層圏用飛行船。 - 上記懸下索の下端に船体外皮の下面下方に配置される搭載物支持部材が吊下支持されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の成層圏用飛行船。
- 上記搭載物支持部材及び該搭載物支持部材に搭載された搭載物は、
外周が船体外皮の下面に結合されて整流機能を果たす薄膜フェアリングによって覆われると共に、該薄膜フェアリングの張力によって揺動が抑制されたことを特徴とする請求項５に記載の成層圏用飛行船。 - 上記懸下索と同軸乃至平行に電力ケーブルが配設されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の成層圏用飛行船。
- 上記電力ケーブルは、
上記船体外皮の上面上に配設された太陽電池モジュールと船体外皮の下面下に配設される搭載物とを配線する電力ケーブルであることを特徴とする請求項７に記載の成層圏用飛行船。
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