JP4505139B2 - バルーンの飛翔経路制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
１． 発明の分野
この発明は、一般的にはバルーンの飛翔経路の制御に関し、より特定すれば、飛翔経路を制御するための所望の力を提供するために、バルーンから離れて配置される制御デバイスに関する。
２． 関連技術の説明
科学的な大気計測器具を搭載したバルーンのような自由なバルーンの飛翔経路を制御するデバイスはこれまで殆ど使用されていない。プロペラ駆動の飛行船は、例えば、プロペラの速度とピッチを変更することによって、飛行船の飛翔経路を制御することができる。しかしながら、飛行船が到達可能な高度と、飛行船用の観測器具の重量は、バルーンが到達できる高度と搭載可能な観測機器の重量に比較してごく限られている。科学的計測器を搭載した自由なバルーンは、典型的には、所望の作用高度で風の赴くままに漂う。多くの場合、予想される風がバルーンシステムを観測目的領域に投入するか、進入禁止領域から離脱させるまで、バルーンの打ち上げが延期されなければならない。そのようなバルーンの飛行は、特定のエリア上空の飛行を避けるために、観測機器の重量が適切な降下地点に落下することを保証するために、或いは、人口過密地区を危険に曝すことを避けるために、未然に終わらせなければならない。飛翔経路の量をほんの少し提供する能力があれば、このような原因は未然に排除することができる。
【０００２】
自由なバルーンの飛翔経路を制御すると考えられたこれまでのアプローチは、プロペラ、異なる風向を選択して高度を制御する手段、および、長い曳航紐につながれたシュートを含む。
【０００３】
プロペラは、大気中においてバルーンを曳航する実質的な動力を必要とする。科学的なバルーンを典型的に必要とする高高度においては、空気は低密度である。これらの高高度において実質的な揚力を発生するためには、プロペラは極めて大型でなければならない。それでもなお、重量を最小限度に維持するという本来の要求のために、有意な大きさの動力はバルーンシステムが典型的に利用しかねるものである。もしも、大要電池を用いて動力を発生することが可能であるとしても、大きな重量級の電池なしでは夜間に作用することができない。もし、燃焼が推進力を提供するとしても、携行燃料の重量によって、燃焼の持続性が制限を受ける。これらの推進力の必要性は、重量を低く維持するという要求と相容れない。
【０００４】
空気よりも軽い飛翔体(ＬＴＡ)を推進駆動するという概念について幾つかの研究が行われた。比較的短い曳航紐に吊り下げられたプロペラによって駆動される自然型のバルーンは、１９７０年に第６回ＡＦＣＲＬシンポジウムにおいて、Ｊ．Ｊ．Ｖｏｒａｃｈｅｋによって発表された「Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｋｅｅｐｉｎｇ Ｂａｌｌｏｏｎ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ」、および、１９６９年にバルーンからの地球観測に関するシンポジウムにおいて、Ｒ．Ｒ．Ｒｏｓｓによって発表された「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂａｌｌｏｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｓ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ」において論じられている。両参考文献は、両方とも曳航紐に吊り下げられたプロペラと動力装置を備える自然型バルーンが飛行中に試験に付された場合の研究を論じている。これらの参考文献によれば、それらのデバイスの作動は、必要とされる推進エネルギーが大きいがために、数日の間に限られる。これらの参考文献はまた、高高度において作動するエンジンに関連する困難性についても論じている。吸排気を行うエンジンは、燃料を有効に燃焼させる部位に空気密度にスーパーチャージを施す数段階が必要である。さらには、両内燃エンジンと電気的エンジンが、低密度の大気中において過熱状態になることを防ぐために、実質的な廃熱を捨てることの困難性についても論じている。
【０００５】
これらとは異なるプロペラ駆動ＬＴＡ飛翔体が、１９７５年、Ｒａｖｅｎ ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓのＪａｃｋ Ｂｅｅｍｅｒ等によって空軍ケンブリッジ研究所に提供された「ＰＯＢＡＬ‐Ｓ、高高度飛行船の分析と設計」に記載されたように設計された。この文献は、約１週間に亘り高度約２１Ｋｍで飛行するように設計されたプロペラ駆動飛行船を記載する。
【０００６】
上記のプロペラ駆動バルーンおよびプロペラ駆動飛行船の両者は、ＬＴＡ飛翔体が、地表の特定のポイントの上方位置を維持するように設計された。そのような作動は、作動高度における風速に等しい相対速度で飛翔する飛翔体を必要とする。風速は、１５〜５０ｍ／ｓ（５０〜１５０ｆｔ／ｓ）の範囲で変動するので、このことは、相当な動力を要することになる。
【０００７】
これに代わるアプローチは、風が有利な方向(または、所望の方向に近い方向)に向かって吹いている高度を選択するようにＬＴＡ飛翔体の高度を制御することである。これは、熱空気バルーンまたはヘリュームバルーンを備える競技用バルーン操作者達によって用いられる主要な飛翔経路制御技術である。異なる漂流方向を選択するためにバルーンが浮遊する高度を選択することもまた数多くの欠点を有する。第一に、高度を制御する何らかの手段が備わっていなければならない。熱空気バルーンの操作者達は、高度を調節するために浮揚気体の温度を上下することができ、他方、ヘリュームバルーンの操作者達は、バラストを落下させることと、前記の浮揚気体を通気することを交互に試みる傾向がある。消耗物をこのように用いることは、究極的には、使命の持続時間を制限する。更には、バラスとを携行することは、観測機器の搭載に必要な重量を減少させる結果を招く。別の欠陥は、生まれながらのバルーン科学用の機器、特に、天文学、天体物理学の実験に使用される機器は、殆どの大気(９９％)の上方に置く必要があり、低い高度の置いたのでは高品質のデータが入手できないことである。更には、妥当な高度の選択には、風に関する優れた知識が必要である。そのような詳細な知識を飛翔中に入手することは通常は不可能である。したがって、競技用バルーンの飛翔は、有利な高度の選択に、度々相当な試行錯誤を含むものである。
【０００８】
バラストを使用しない高度の制御手段の一つは、ヘリュームを満たした一つのバルーンと多量の高密度の冷媒を収容した第二のバッグとを含んでいた。低高度においては、冷媒は気体であった。高高度においては、冷媒が液体に凝縮した。したがって、或る高度を越えると、置換された空気の容積が、凝縮した気体の容積の分だけて減少したので、システム全体の浮揚力が減少した。システムは、低高度においては暖かい空気内に降下するので、液体は再度気化するので、大容積の空気を置換して膨張した。この高度ポイントにおいて、浮揚力が重量を凌駕し、システムが再び上昇した。このシステムは、ヘリウムやバラストを放出せずに大きな高度の範囲を自然に循環した。このアプローチは、１９９５年、Ｋ．Ｔ．Ｎｏｃｋ，Ｋ．Ｍ．Ａａｒｏｎ等によって、第１１回ＡＩＡＡ Ｌｉｇｈｔｅｒ‐ｔｈａｎ‐Ａｉｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅに発表された”バルーン高度制御実験(ＡＬＩＣＥ)”に記載されている。液体の冷媒を圧力容器中にトラップして、これを密封バッグに戻すことによって、高度を多少制御することが可能となる。各高度サイクルに含まれる時間の尺度は数時間である。この高度制御スキームは、成層圏では機能しない。対流圏において、それは温度と圧力の特別な変化が必要である。
【０００９】
パラシュートのような曳航デバイス(drag device)は、風が通常は絶えず異なる方向に吹いているバルーンよりも低い高度に配置することができる。そのようなアプローチは、１９６９年に、Ｅ．Ｒ．Ｂｏｕｒｋｅ ＩＩによって、”Ｕｎｉｑｕｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｂａｌｌｏｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｋｅｅｐｉｎｇ”と題して、Ｒａｙｔｈｅｏｎ ｒｅｐｏｒｔ Ｒ６９‐４０４１Ａに記載されている。このアプローチは、バルーンが周囲の空気に対して移動する原因となるような力を発生させるために使用される。しかしながら、力の方向は、パラシュートの高度において風が吹く方向に必須条件として限定される。異なる風向を伴う高度にパラシュートを上昇させたり、この高度から下降させたりするためにウインチを使用することができるが、これは力の方向を変更するのに相当に多くの時間を必要とする。同様に、重力と空気力学的曳航両方の存在下においてそのようなデバイスを上昇させるには、相当に大きな力が要求される。これに加えて、高度と風の分布に関する優れた知識も必要である。
【００１０】
発明の概要
したがって、バルーンの飛翔経路を制御するための有効な力を発生する有効なデバイスを提供することがこの発明の目的の１つである。この力発生デバイスは、専ら、浮揚力がバルーンの移動方向に対して水平をなし、これを横断するように配置されることが好ましい。
【００１１】
自然風の状態を受動的に利用するバルーン制御デバイスが、バルーンを一定の高度に保ち、汚染物を一掃するためにバルーンの後方に向かう空気流を誘発することを可能にする。
【００１２】
力を殆ど必要とせず、夜間も有効に作動するデバイスを提供することが、この発明の別の目的の１つである。
【００１３】
この発明の上記の目的およびこれらに関連する目的は、浮揚力の大部分を水平方向に提供するために、バルーンから吊り下げられるか、または、曳航紐に取り付けられた空気よりも軽いシステムに設けられた浮揚力発生デバイスを含むシステムによって実現される。このシステムはまた、浮揚力発生デバイスによって発生された浮揚力を変換するためのフラップまたは舵を含むことができる。この浮揚力発生デバイスおよびフラップ(または舵)は、ブームのようなフレームに装着されるか、そうでなければ一体に連結される。
【００１４】
この発明の１様相によれば、この浮揚力発生デバイスは、帆を含む。別の様相においては、浮揚力発生デバイスは翼を含む。第三の様相においては、浮揚力発生デバイスは風車構造体の一部を含む。
【００１５】
フラップは、浮揚力発生デバイスの方向または運動を変えることによって、浮揚力発生デバイスによって発生される浮揚力を変換するように機能する。曳航紐は、高度毎に異なる自然風を利用することができるように充分長いことが好ましい。
【００１６】
開示されたこの発明のデバイスは、作動力を殆ど使用せず、夜間も作動可能であり、極めて軽量な素材で製造することができ、風の場についての詳細な知識を必要とせず、バルーンを一定の高度にとどめ置くことができ、比較対象である同一サイズの曳航デバイスと較べて規模と方向の範囲がより大きい制御力を発生し、制御力の方向をかなり速く変換することができ、空気密度が大きいのでデバイスがバルーンに較べて相対的に小さくて済むバルーンよりも低高度で作動する。
【００１７】
別の利点は、科学的機器の支持に関する。１０億の単位中に数パーツという極端に低濃度な大気中の気体を追跡する鋭敏な科学機器もある。ヘリウムを上昇させる気体、すなわち、気嚢材料からの揮発物のようなバルーンそれ自体からの汚染物は、精度の高い測定を妨げる。典型的なバルーンは、局所的な空気の塊と一緒に漂流し、これらの汚染物はバルーンとゴンドラの近傍に蓄積する。飛翔経路制御デバイスの作動に起因するような微小な相対的空気流でさえ、これらの汚染物を吹払うものであり、空気サンプルの新鮮な流れを科学機器に供給する。
【００１８】
高度に関する有意な変動は風の速度と方向のために存在する。力発生デバイスをバルーンの充分下方(恐らくは７Ｋｍ下方)で作動することによって、バルーンと力発生デバイスの間の有意な風の差が必須条件として保証される。浮揚力の規模と方向が、同じ風の中で多くの異なった方向に走行することができる帆船の能力と同じように、翼の迎え角を制御することによって実質的範囲に亘って変化されることができるので、風の方向は、過度に重要ではない。
【００１９】
この発明の別の目的および利点は、図面と詳細な説明を考慮することから明らかになろう。
【００２０】
この発明の別の諸目的と利点は、添付図面に関する発明の好ましい現行具体例に関する次の詳細な説明からより明確になるとよもに、より容易に理解することができるであろう。
【００２１】
現行の好ましい模範具体例の詳細な説明
この発明のバルーンの飛翔経路制御デバイスの好ましい具体例が図１に記載される。主要な浮揚力発生部材は、先導端桁材３を備える翼１、および、追従桁材５、複数のリブ７である。先導端桁材３、追従桁材５およびリブ７はスキン９を保持する。翼１は、前端部と後端部を有するブーム１１に取り付けられる。カウンターウエイト１３は、ブーム１１の前端部に取り付けられる。舵１５と舵のアクチュエータ１７はブームの後端部に取り付けられる。制御モジュール１９は、デバイスの好都合な位置に装着される。この制御モジュールは、(図示を省略する)動力源を含む。前記動力源は、必要ならバッテリーとソーラーパネルを備える。ヨーク２１がブーム１１を曳航紐２３に接続する。曳航紐の上端部は、ＬＴＡシステムに装着された(図示しない)ウインチ２５に取り付けられる。
【００２２】
図１に示すバルーンの飛翔経路制御デバイスは、比較的長い曳航紐２３に取り付けられた浮遊バルーンのゴンドラのようなＬＴＡ飛翔体から吊り下げられる。曳航紐２３の長さは数キロメートルである。長い曳航紐を必要とする理由は、飛翔経路制御デバイスを、バルーンの位置する高度で吹く風とはかなり異なる速度(速さまたは方向)を有する風が存在する大気の一部内に配置するためである。典型的な風の特徴は、上に引用したＪ．Ｊ．Ｖｏｒａｃｈｅｋによって発表された「Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｋｅｅｐｉｎｇ Ｂａｌｌｏｏｎ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ」の図３０．１に示される。
【００２３】
曳航紐２３は、ＬＴＡ飛翔体に搭載されたウインチ２５を使ってスプールから巻き戻される。このウインチ２５は、動力駆動されるか、曳航紐２３を引き出すように機能する飛翔経路制御デバイスのウエイトを利用して、単に、飛翔経路制御デバイスを受け入れ可能な速さで下降させる受動的な手段を提供する。後者の場合は、飛翔経路制御デバイスは、飛行終了時に曳航紐２３を切断することによって廃棄されてもよく、その降下速度を調節するパラシュートが用意される。もしも、ウインチ２５が動力駆動される場合には、ウインチを前記制御デバイスを所望の高度に昇降させるか、デバイスを回収するために使用することができる。もしも競技用バルーンと共用する場合は、ウインチ２５は手動で操作されるか、ウインチを省略してもよい。或る状態の下ではデバイスを手で手繰り寄せてもよい。
【００２４】
曳航紐２３は、ロープまたはケーブルであってよく、例えば、織られたＫｅｖｌａｒ ｔｈｒｅａｄであってもよい。より一般的にいえば、曳航紐２３は、リジッドでない機械的接続部、例えば、リジッドなリンクを備えるチェーンであることができる。完全にリジッドな曳航紐は、部品の重量に基づく曳航紐の長さの厳しい制限が課せられる。ブーム１１は、システムの部品の装着に用いる単純な剛性部材でよく、より一般的には、必ずしもリジッドでなくとも、目的に適うフレームによっても機能を達成することができる。舵１５は、システムの方向を変えるために用いられる単なるリジッド部材でよく、より一般的には、その機能はこの目的に適うフラップによって達成することができる。
【００２５】
浮揚面(例えば翼)の迎え角は、相対的な風と基準翼弦線の間の角度(即ち、翼の先端から翼の追従端に延出する線)として規定される。多くの航空力学の教科書は、迎え角の定義を含む。例えば、そのより詳細な定義が、１９８２年、Ｂｅｒｎａｒｄ ＥｔｋｉｎおよびＷｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓによって書かれた”Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ‐Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ”第２版第１０頁に見出すことができる。この文献は個々の引用したことによって本件の説明に組み込まれる。翼１の迎え角は、制御モジュール１９の制御の下における舵アクチュエータ１７による舵１５の設定によって調節される。大きな浮揚面の後方の小さな制御面の構造は、翼の構造に酷似しており、飛翔体用のスタビライザー／上昇部材である。それはまた、帆船のキールと舵の構造に酷似している。
【００２６】
翼１の安定した高度における作動を維持するために、吊り下げられたデバイスの重心は、飛翔体の中立点と同様に定義される航空力学的中立点よりも多少前方になければならない。もしも、必然的に重心の直上にある吊り下げ点が、後方に位置しすぎると、アセンブリーは、恐らくは揺動して後向きになるか、翼が航空力学的に失速状態となり側方に斜め飛行を行うであろう。これは意図する主たる作動モードではないが、大きな牽引力が所望の方向にある特定の風の条件の下では、実際上は好都合な状態であろう。この種の挙動を誘発するために重心の位置を調節することを目的に重心移動構造をデバイスの設計に組み込むことができる。翼が正常に(すなわち失速せずに)飛翔するために、重心は、充分前方に置くべきであり、それによって、カウンターウエイト４１が必要になる。ＬＴＡ飛翔体は通常厳しい重量制限を受けるので、「死」荷重を付加することは望ましくない。この理由で、総重量の有意な残部を構成する制御モジュール１９が浮揚力発生デバイスの多少前方に配置されて、カウンターウエイトとしての付加的な機能を遂行する。しかしながら、飛翔体としては、重心をあまりにも前方に移動することは、主翼１の迎え角を制御するための舵の性能を減じるであろう。重心は、超音速航空機と同じ範囲内に置くことが望ましい。そのような航空機にあっては、重心が、典型的には、中立点の平均翼弦の前方約５〜１５％の範囲内に置かれる。中立点の位置を算定することがどうしても必然的に含まれるが、その手順は当業者には周知であり、多数の参照文献が利用可能である。飛翔体の長手方向の安定性は、１９７９年、Ｂ．Ｗ．ＭｃＣｏｒｍｉｃ，Ｗｉｌｅｙによって著され、こここに引用することによって説明に組みこまれる”Ａｅｒｏｄｕｎａｍｉｃｓ，Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ａｎｄ Ｆｌｉｇｈｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ”の第４７９〜４８３頁に見出される。飛翔体の翼と水平方向安定化部材は、翼１と飛翔経路制御デバイスの舵１５に類似する。曳航紐２３からの力の横方向成分は、ピッチングモーメントに関する方程式を検討すると、飛翔体の重量に類似する。
【００２７】
先尾翼構造体を飛翔経路制御デバイスに使用する点においても航空機に類似する。先尾翼構造体においては、小さい安定化部材の面が主浮揚面の前方に置かれる。このことは、以下において、もっと完全に論じられる。
【００２８】
特別なバルーンの飛翔の必要性に応じて、制御モジュール１９は、バルーンのゴンドラから無線またはその他の交信手段を介してコマンドを受け取ることができる。その代わりに、制御モジュール１９がバルーンシステムの打ち上げに先立って予めプログラムしておくこともできる。
【００２９】
飛行経路制御デバイスの利点の１つは、飛翔経路の制御の所望程度に応じて多かれ少なかれ、複雑な異なったモードで作動することが可能な点である。例を挙げれば、その目的が、単に敏感な機器のパフォーマンスを改良するために汚染物を一掃する目的で、支持バルーンを越える偏向空気流をもたらすことだけならば、舵１５を飛翔前に一定角度にセットしておけばよい。この固定角度は、バルーンと翼１の両高度において期待される風と組み合わされる従来技術と関連する所望の速度に基づいて選択されることができる。
【００３０】
定在風は、典型的には、大体において季節に応じた東風または西風である。飛翔時間の長いバルーンは、地球を数回周回することができる。地球の極点に向かう(或いは、極点から赤道に向かう)一般的な漂流を強制するためには、既知の定在風と所望の漂流方向とに基づいて打ち上げ前に予めセットしておくことが可能である。
【００３１】
もしも、このデバイスが、競技用バルーンの長距離飛翔をアシストするために用いられるならば、「左‐ゼロ右制御」のスキームが適切である。バルーンのパイロットは、左への最大の浮揚、右への最大の浮揚、又はゼロ浮揚のいずれかに応じてデバイスにコマンドを指令することができる。このことによって、バルーンの操縦者は、人口過密領域の上空通過を回避することができ、また、所望の着地サイトへの着地を補助することができる。浮揚ゼロ(迎え角ゼロ)の状態においては、唯一の有意の航空力学的な力は、曳航力であろう。これはバルーンの漂流速度に相対的に小さな影響力を及ぼす。
【００３２】
恐らくは自律的な制御の下における、より複雑な制御スキームは、翼１に、風を横断して下方に「ジグザグ進行」せよというコマンドを指令するであろう。翼は、平均飛翔経路を横断する長いジグザグパターンを繰り返してトラバースするであろう。このことは、翼の相対翼速度を増大するので、航空力学的な力も増大するであろう。このアプローチは、飛翔経路の方向に有意に大きい制御をもたらすとともに、不可避的に一連の制御用アルゴリズムを必要とするであろう。
【００３３】
飛翔経路の要件が打ち上げ前によく知られている場合には、コマンドのリンクの必要性を排除しておくように制御機器をプログラムしておくことが可能であろう。この場合には、ナビゲーションシステム(すなわち、ａ Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｉｔ)が付加される。
【００３４】
(ゴンドラ内に配置された)観測機器は遠隔操縦者に対するコマンドのリンク(例えば無線)を有する場合が多いので、方向を飛翔経路制御デバイスに中継するために、ゴンドラと飛翔経路制御デバイスの間に別のコマンドのリンク(多分曳航紐内のワイヤ)が使用される。その代わりに、このデバイスは、地上からデバイスへの別体の直接コマンドリンクによって制御されることが可能である。
【００３５】
上記の受動制御アプローチにあっては、舵が予めセットできるので動力源は不要である。被制御バージョンにおいては、舵１５を動かし、多分ＬＴＡシステムと交信するために多少の動力源が必要であろう。諸種の動力源を使用することが可能である。使命の持続が短い場合は、(再充電不可能な)１次バッテリーで充分である。飛翔が長期に亘る場合は、暗闇でも作動を持続できるように、再充電可能なバッテリーと組み合わさるソーラーパネルが好ましい選択であろう。観測用小型軟式飛行船や気球のような飛行船よりも軽い駆動体と組み合わせれば、飛翔経路制御デバイスは、帆船のジグザグ航法と何となく似た逆風に抗した浮揚成分を提供することができる。飛行船の推進力を増大することができる翼を使用することのあり有べき利点は、それがもっとずっと濃い大気中で作動するので、大きな空気力学的な力を発生し、これが飛行船に必要なエネルギーを減らすことできる点である。
【００３６】
上に述べた多くの制御スキームにあっては、組をなすセンサーが、制御作用を補助する有用な空気力学的なデータを測定するために組み込まれるであろう。センサーの典型的な組は迎え角、風速、温度、気圧、湿度等を測定することができる。パフォーマンスを改良するために作動する高度を変化させる制御スキームにあっては、数個の機器パッケージを曳航紐に沿って分散配置して、異なる高度における状態を直接測定することが望ましい。
【００３７】
バルーンの飛翔経路制御デバイスの第二の具体例が図２に示される。倒立帆３３、マスト３５、複数のバッテン３７を有する主浮揚発生部材３１が図示される。帆３３とマスト３５は、前端部と後端部を備えるブーム３９に取り付けられる。カウンターウエイト４１がブームの前端部に取り付けられる。舵４３と舵のアクチュエータ４５は、ブームの後端部に取り付けられる。制御モジュール４７は、好都合な位置にマウントされる。制御モジュール４７は、もし必要ならバッテリーとソーラーパネルからなる(図示しない)動力源を含む。ヨーク４９が、ブームを曳航紐５１に接続する。曳航紐の上端部はＬＴＡシステム(例えば、バルーンのゴンドラ)にマウントされた(図示しない)ウインチ５３に取り付けられる。
【００３８】
飛翔経路制御デバイスの帆部の作動は、翼部(図１)の作動に酷似する。１つの帆を使用することは、２つの側面を備える翼よりも、空気力学的なパフォーマンスが多少効率が落ちることが予想される。しかしながら、これは、起こり有べき低コストと低重量によって逆転される。実際、慣習的なデザインを開発するよりも現存する帆船の帆を使用する方が可能性が大である。
【００３９】
バッテンは、水平なポケットに挿入されて帆に縫い込まれた薄いリブであって、帆の材料を硬化し、空気力学的形状を改善し、ラフ(すなわち風にパタパタとはためくこと)を減少させる。それは、普通の帆船よりも高速を備えるカタマラン帆船にしばしば用いられる。飛翔経路制御デバイスの不可欠の作動には必要がないが、バッテン３７は、それらが帆船の帆に用いられるのと同じ理由でパフォーマンスを改善することが期待される。
【００４０】
舵は、空気力学的面全体が回転することを意味する「フライング」制御面として示される。構造上の理由で、より従来型の固定フィンと可動舵とを使用することが好ましい。どちらも主浮揚面の風の方に傾く運動を安定化し、主浮揚面の迎え角を調節する機能を行うであろう。
【００４１】
図２には、制御モジュール４７が、部分的にカウンターウエイトとして作用する能力を示すより前方の位置で示される。
【００４２】
飛翔経路制御デバイスの第３の具体例が図３に示される。この具体例においては、安定化面が主浮揚面の前方に置かれる。航空機に使用される場合は、小さい前方スタビライザーが、先尾翼と称され、その構造が先尾翼構造体として参照される。
【００４３】
先尾翼構造体の作動は、その従来型の構造体(主翼の後方のスタビライザー)を備える好ましい具体例の作動に酷似する。先尾翼構造体は、不安定に見えるが、重心が中立点の前方に位置するという必要性は、従来型の構造体のそれと同一である。
【００４４】
飛翔経路制御デバイスの第４の具体例が図４に示される。この具体例においては、２枚翼構造体が主浮揚力発生部材に用いられる。それは、主翼の後方にスタビライザーを備える従来構造体で示される。
【００４５】
２枚翼(または３枚翼あるいはそれ以上)を備えるデバイスの作動は、１枚翼のものと同一である。この構造の利点は構造上のものである。ボックス状の構造は、１枚翼よりも本来的に大きな剛性を有する。同様に、舵もまた複数面を有することができる。
【００４６】
飛翔経路制御デバイスの第５の具体例が図５に示される。この制御デバイスは、風車構造体６１を備え、それによって、浮揚力を発生する間デバイスが風の中で回転する。
【００４７】
この風車構造体６１は、パネル６３と、少なくとも１つの制御フラップ６５と、そして少なくとも１つの制御フラップアクチュエータ６７を有する。図示の特別な具体例は二つのフラップを含む。フラップ６５は、フラップとパネルの間の角度が調節可能なようにヒンジ構造をなす。制御モジュール６９は、従来の位置にマウントされる。この制御モジュールは、必要ならば、バッテリーとソーラーパネルからなる(図示しない)動力源を含む。スイベル７１が風車構造体６１を、ＬＴＡ飛翔体に取り付けられた(図示しない)ウインチ７５に接続する。
【００４８】
風車構造体の構造は、軽量の空気力学面の構築における当業者には明らかなように、数通りの態様で達成される。例えば、軽量の管を用いてリブが形成され、薄い布または重合体フィルムで被覆される。使命の或る分類に付いては、パネルがスティロフォーム(styroform)のような必須的に硬質の材料から形成されることができる。これらの言及内容はすべての具体例に等しく当て嵌まる。
【００４９】
その設計によって、風車構造体６１は、色々な玩具または凧のデザインに類似して、浮揚力を発生する間風の中で回転する。先行技術からの風車構造体が図１２に示され、ここには風と浮揚力の方向が図示されている。相対的な空気流に対して直角をなす力が存在するというこの効果がマグナス(Magnus)効果であって、これはスポーツにおけるカーブするボールを説明する。この効果は、１９７６年、Ｂ．Ｓ．Ｍａｓｓｅｙ、Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｕｄによって著された“Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｆｌｕｉｄｓ”第２６５頁に詳細に論じられている。この文献は個々に引用したことによって本件の説明に組み込まれる。先行技術からの風車のデザインは、Ｓ字状断面を備える楕円形スチロフォーム製パドルと楕円の長軸を貫通する硬質のスティックとを有する。このスティックの両端部は、スイベルによって弦のヨークに接続されており、この弦は凧の弦に固定される。この玩具は水平なスティックで作動し、風の中で回転し垂直方向の力を発生する。この上向きの力は、玩具の重量を克服するに充分であり、この力は中央の円盤構造体によって安定化される。
【００５０】
図５の風車構造体６１は、その軸が水平と言うよりは垂直なので、浮揚力の向きが上に向かうよりも側方に向かうけれども、同じ作動原理で作動する。この風車構造体６１は、相対的に表現すれば、専ら水平方向の空気流が存在するように、ＬＴＡ飛翔体からの長い曳航紐７３に吊り下げられる。制御フラップ６５が、図５に示すように、非対称に配置される場合は、風車６１は必須的に垂直である1つの軸を中心に回転する。図６には、回転方向が風の方向Ｗと浮揚力Ｌの方向とともに図示される。風車は、風の方向Ｗとは無関係にこの方向に回転するであろう。両フラップ６５の角度を逆転することによって、風車の回転方向が逆転する。これによって、浮揚力Ｌの方向を変化させる所望の効果が生じるであろう。このように、図６において、フラップ６５の配置が逆転すると、フラップの回転も逆転し、その結果、浮揚力Ｌの発生方向も逆になるであろう。
【００５１】
フラップ６５を対称に配置することによって、回転は抑制され、パネル６３は2つのフラップ６５がともに後に曲がる風に対して広い側面側に安定するであろう。このことは、純粋に曳航力を発生する効果を生じ、このことは風と飛翔経路に対応するので望ましいであろう。図７は、２つの制御フラップが対称に配置された構造体を示しており、風Ｗに起因する曳航力Ｄの方向を示す。
【００５２】
図６、図７に示される性能を組み合わせることによって、人は各フラップを単に調節することによって、広い範囲に亘る有効力を発生させることができる。「上昇」と「下降」の極限値の間のフラップの相対角度を変化させることが可能である。加えて、フラップの位置をシーケンスをなして繰り返すことによって、有効な、すなわち平均の力を創出することができる。
【００５３】
図８は、３枚のパネル６３と３枚の制御フラップ６５を備える風車構造体の代替具体例を示す。図９は、４枚のパネル６３と４枚のフラップ６５を備える風車構造体の代替具体例を示す。これらの図は、パネル６３の枚数が有意に変更できることを示す。更には、各パネル６３が制御フラップ６５を備える必要はない。回転を持続するには、単一の制御フラップ６５で充分である。
【００５４】
図１０は、浮揚力発生デバイスとして、回転シリンダーが使用される風車構造体のなお別の具体例を示す。制御フラップ６５もまたシリンダーに回転を付与するために使用される。
【００５５】
このように、風車構造体の様々な種類が使用可能であり、浮揚力の発生は制御用の機構がなくとも達成することが可能である。風車構造体の本体は一般に、制御フラップ、制御フラップアクチュエータ、および、風車構造体内の制御モジュール(例えば、図５のパネル６３、図１０のシリンダー)のための適当な構造体を意味するのである。
【００５６】
図１１は、バルーンとゴンドラから吊り下げられた飛翔経路制御デバイスの好ましい具体例を示す。図示の相対的縮尺は多かれ少なかれ一方的なものである。このデバイスは、大きさの相当な範囲に亘って作動することが可能である。また、曳航紐の長さは、実際は図示のものよりもずっと長く、略図ではその長さに制限を付すことはできない。
【００５７】
ＬＴＡ飛翔体に力を付与するために、空気力学的な力を発生させる任意の方法が使用可能である。ここに図示した浮揚力発生デバイスの特別な諸例は、模範的なものを意図するが、これらのみに限定されるものではない。
【００５８】
以上、この発明の幾つかの模範具体例を説明したが、当業者は、この発明の新規な教示と利点を実質的に逸脱することなく模範具体例に様々な改変が可能である点を容易に理解するであろう。したがって、そのような改変のすべてはこの発明の技術範囲に包含されることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 飛翔経路制御デバイスの第１の具体例を示す。
【図２】 倒立した帆を用いた飛翔経路制御デバイスの第２の具体例を示す。
【図３】 先尾翼飛行機構造体を備えた飛翔経路制御デバイスの第３の具体例を示す。
【図４】 複葉翼構造体を備える飛翔経路制御デバイスの第４の具体例を示す。
【図５】 風車構造体を用いる飛翔経路制御デバイスを備える第３の具体例を示す。
【図６】 風の中にある風車構造体の回転方向を示す。
【図７】 対称型の制御フラップ配置体を備える非回転風車構造体を示す。
【図８】 ３枚のパネルを用いる風車構造体の具体例を示す。
【図９】 ４枚のパネルを用いる風車構造体の具体例を示す。
【図１０】 シリンダー状断面を備える風車構造体の具体例を示す。
【図１１】 バルーンのような空気よりも軽いシステムから吊り下げられた飛翔経路制御デバイスの第１の具体例を示す。
【図１２】 風車構造体に類似した先行技術を示す。

Claims (19)

1. バルーンの飛翔経路制御方法であって、前記方法は、浮揚力発生デバイス（１）を曳航紐（２３）でバルーンに接続して、前記浮揚力発生デバイス（１）が、前記浮揚力発生デバイスと前記バルーンとの間の空気流の差に基づいて受動的に浮揚力を発生させること、と、前記曳航紐（２３）が対応する浮揚力を前記バルーンに伝達すること、とを含む方法。
2. フラップ（１５）の相対的配置を調整して、前記浮揚力発生デバイス（１）によって発生される浮揚力を制御することを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記フラップ（１５）の相対的配置を調整することが、アクチュエータ（１７）に指令を発する制御システム（１９）を用いることを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記浮揚力発生デバイス（１）をフレーム（１１）にマウントすること、および、前記フラップ（１５）を前記フレーム（１１）と前記浮揚力発生デバイス（１）の少なくとも一方にマウントすることを含む請求項２または３に記載の方法。
5. 前記浮揚力発生デバイス（１）の作用を安定させるために、カウンターウエイト（１３）を前記フレーム（１１）にマウントすることを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記フレームがブーム（１１）を含む請求項４または５に記載の方法。
7. 前記曳航紐（２３）が、前記曳航紐（２３）を横断する異なる姿勢での異なる自然風から前記バルーンの前記飛翔経路を制御するために充分に大きい延長された長さを持ち、前記浮揚力発生デバイス（１）が前記バルーンの下方に首尾よくあるように、前記曳航紐（２３）を延長することを含む請求項１ないし６のいずれか１に記載された方法。
8. 前記浮揚力発生デバイス（１）が帆（３３）を含む請求項１ないし７のいずれか１に記載された方法。
9. 前記浮揚力発生デバイス（１）が翼を含む請求項１ないし７のいずれか１に記載された方法。
10. 前記浮揚力発生デバイス（１）が風車構造体（６１）を含む請求項１ないし７のいずれか１に記載された方法。
11. バルーンの飛翔経路制御デバイスであって、前記デバイスは、浮揚力発生デバイス（１）と、前記浮揚力発生デバイス（１）を、前記バルーンに接続するための曳航紐（２３）とを含み、
    前記浮揚力発生デバイス（１）が、前記浮揚力発生デバイス（１）と前記バルーンとの間の空気流の差に基づいて受動的に浮揚力を発生し、前記曳航紐（２３）が、対応する浮揚力を前記バルーンに伝達する飛翔経路制御デバイス。
12. 前記曳航紐（２３）と前記浮揚力発生デバイス（１）を接続しているフレーム（１１）を含み、前記浮揚力発生デバイス（１）は、前記フレーム（１１）にマウントされており、前記フレームと前記浮揚力発生デバイス（１）の少なくとも一方にマウントされたフラップ（１５）を含み、前記フラップ（１５）の相対的配置が、浮揚力発生デバイス（１）によって発生される浮揚力を制御する請求項１１に記載の飛翔経路制御デバイス。
13. 前記浮揚力発生デバイス（１）の作用を安定させるために、前記フレーム（１１）にマウントされたカウンターウエイト（１３）を含む請求項１２に記載の飛翔経路制御デバイス。
14. フレームがブーム（１１）を含む請求項１２に記載の飛翔経路制御デバイス。
15. フラップ（１５）の相対的配置を調整するためのアクチュエータ（１７）と、アクチュエータ（１７）に指令を発する制御システム（１９）とを含む請求項１１ないし１４のいずれか１に記載の飛翔経路制御デバイス。
16. 前記曳航紐（２３）が、前記曳航紐（２３）を横断する異なる姿勢での異なる自然風からバルーンの飛翔経路を制御するために充分に大きい延長された長さを持ち、前記浮揚力発生デバイス（１）が前記バルーンの下方に首尾よくある、請求項１１ないし１５のいずれか１に記載の飛翔経路制御デバイス。
17. 帆（３３）を含む請求項１１ないし１６のいずれか１に記載の飛翔経路制御デバイス。
18. 翼を含む請求項１１ないし１６のいずれか１に記載の飛翔経路制御デバイス。
19. 風車構造体（６１）を含む請求項１１ないし１６のいずれか１に記載の飛翔経路制御デバイス。

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