JP4719842B2 - 飛行船における太陽電池配列の位置決め - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、太陽電池の配列手段を備える飛行船と飛行船に装着された飛行中の太陽電池配列手段を位置決めする方法とに関する。
【０００２】
発明の背景
飛行船は少量の推進エネルギしか使用されないので飛行船に装着された太陽電池配列から得られる太陽エネルギを動力にすることに本質的に適している。航続時間が非常に長い場合の無人状態を含め多くの飛行船の使用態様において、太陽エネルギは、環境汚染をさせずに飛行船を駆動させることができる唯一のエネルギ媒体であるとも言える。
【０００３】
入射太陽光線が通常すなわち太陽電池に対して９０°であるときに、最大限の効果を有することが太陽電池の特質である。駆動に十分なエネルギを得るためには、例えば飛行船の外部胴体に固定される多数の電池配列のように装着された大量の太陽電池を飛行船に装着することが必要である。空力学的理由により、飛行船は通常、回転胴体形状を有するので、異なる太陽電池が常に異なる方向に面し、従って常に大量の入射太陽放射線を受容する。従って、飛行船の表面の大きな太陽電池配列を用いても多数の太陽電池が最大エネルギよりも小さなエネルギしか受容されないであろう。実際に一定の状況では、太陽と反対側にある飛行船の”暗部”の太陽電池は、少々反射された太陽放射線以外は事実上太陽放射線を受けない。
【０００４】
さらに、空挺の飛行船は任意の経路を飛行することができるようにしなければならないので、太陽放射線を予測可能な方位角の範囲内に限ることはできない。
【０００５】
このことにより、従来、飛行船設計者は飛行船の駆動に十分な力を付与するために飛行船の外郭表面の大部分を太陽電池で覆い、飛行船がどうように進行した場合でも、また太陽が飛行船に対してどの位置にいる場合でも十分な力が生じるようにさせることが必要であると理解されていた。実際には飛行船が太陽放射線を受容するように位置された際、典型的には常時、飛行船の外部表面に装着された既定配列の電池配列の総数の半分以下にエネルギが集められる。このことは、コストの面と最重要課題である大きな太陽電池配列の重量との両者に関して効果的でないことは明白である。また非常に高い高度での作業において、過重量は非常に危険であり、飛行船を”浮遊”させることに飛行船重量を減少させることは非常に重要である。
【０００６】
現在まで多くの太陽電池式飛行船が提案され、多くの作業が公表されてきた。多くの著者は、太陽電池式飛行船の実用化には緯度及び天候状況の限界があることを認めている。知られている限りでは、太陽電池式飛行船は成功を収めていない。
【０００７】
公知の太陽電池式航空機には米国特許第５，５１８，２０５がある。この公知の航空機は前ウィングと後ウィングとにより結合され且つゴンドラが吊り下げワイヤにより支持される一対の膨張された外郭を有する。前ウィングは、その上部表面に太陽電池配列を担持する。ゴンドラの位置を調節することにより、航空機は、入射太陽放射線に対する太陽電池配列の露出を最適化するように傾斜させることができる。このような航空機の空力学上、双外郭を有する航空機を傾斜させることにより進路を大幅に変更させることができる。
【０００８】
発明の開示
本発明の目的は、推進力等の飛行船に必須の駆動力を与えるために飛行船に必要とされる太陽電池の数を減少させることである。
【０００９】
本発明の他の目的は、太陽電池手段により収集される太陽放射線量を増大させる、好ましくは最大にさせるために飛行船の外郭に装着される太陽電池配列手段の位置を変更する手段を提供することである。
【００１０】
本発明の一つの特徴によれば、略長手方向に延びた長手方向軸を有する外郭に使用されるガス包囲手段と、外郭の外部に装着されるように配列された太陽電池配列手段とを備える飛行船であって、太陽電池配列手段は、外郭の一部周囲のみの周りに延びるように配置され、且つ前記手段は、太陽電池配列手段により収集される入射太陽放射線量を増加させるように長手方向の外郭の軸線周りに太陽電池配列を回転させるために設けられることを特徴とする。
【００１１】
長手方向の外郭の軸線周りに太陽電池配列手段を回転させる手段を提供することにより、太陽電池配列は、上空を移動する太陽の”軌道に合わせる”ことができる。例えば、太陽電池配列手段は、長手方向の外郭の軸線周りで且つ飛行船の浮心の両側にオフセットされる端部位置の間で円弧を描いて回転可能である。
【００１２】
太陽電池配列は、飛行船外郭、例えば飛行船外郭の上部後半部に固く取付けられることが好ましい。この場合、回転手段は全外郭を回転させるように作動可能であり、太陽電池配列手段を上空を横切る太陽の軌道に合わせることができる。太陽電池配列手段は飛行船外郭に固く取付けることが好ましいが、本発明はこれに限定されず、飛行船外郭に対して相対的に移動可能な太陽電池配列手段をも含むものである。
【００１３】
太陽電池配列手段は、飛行船の基礎的必要動力を太陽電池配列の必要領域に付与するように外郭に沿って十分な長さ延びる。
【００１４】
好ましくは太陽電池配列手段を回転させる回転手段は、移動可能な重量手段を含み、太陽電池配列手段と重量手段との重心は、飛行船の浮心の両側に位置される。従って、太陽電池配列手段と重量手段との重量は中和する、すなわち互いに相殺され飛行船に永久回転力が作用することを防止する。重量手段の”側方オフセット”すなわち重量手段の重心と飛行船の浮心が通過する鉛直面との間の距離を変化させることにより、飛行船は回転され、これにより飛行船外郭に固着された太陽電池配列手段も回転される。
【００１５】
減量を最大にするために、重量手段は、太陽電池配列の重量を相殺するように側方にオフセット可能な飛行船のペイロードモジュールを備えることが好ましい。飛行船はペイロードを担持するように形成されるので、太陽電池配列手段の重量をオフセットするために重量手段を追加する必要はない。
【００１６】
特定の高い高度での設計では、ペイロードモジュールは外郭の内部に完全に包含されても良い。従って飛行船は、特定の太陽電池配列手段の指示方向に向けて振子安定方法で形成される。ペイロードモジュールは、浮心周りに円弧を描いて移動するように適当に装着される。従って、円弧を描くようにペイロードモジュールを移動させることにより、完全な飛行船胴体の重心が再び浮心の直下になるまで飛行船はその長手方向の軸線周りに回転される。ペイロードモジュールが浮心の下側で円弧を描くことにより、振子の安定性は維持される。このシステムを使用すると太陽電池配列手段を９０°以上回転させることができる。これにより、飛行船は日中ずっと太陽が上空を移動するのに合わせて太陽電池配列手段を配置させることができるだけでなく、風に対抗し必要な姿勢を維持するために反対方向にも飛行させることができ、飛行船の太陽に面する側に太陽電池配列手段を維持する。これは、高緯度での作業において特に重要である。
【００１７】
好ましくは回転手段はケーブル・ウィンチ手段を含む。典型的にはケーブル・ウィンチ手段は、飛行船外郭からペイロードモジュールを吊り下げる吊り下げ手段を作るケーブルを巻き入れ／巻き出しする一連の小ウィンチを備えている。ケーブル・ウィンチ手段の作動制御は、飛行船の飛行制御システム全体において不可欠な部分を形成する。
【００１８】
本発明の他の特徴によれば、太陽電池配列手段により収集された入射太陽放射線量を増加させるように飛行船の外郭に外部装着された飛行中の太陽電池配列手段の位置決め方法を提供する。
以下、添付図面に特に参照する例示を用いて本発明の実施形態を記載する。
【００１９】
図１は、飛行中の成層圏飛行船の略示図である。飛行船１は、典型的にはヘリウム等の空気よりも軽いガスで充填された気嚢から形成される単一の外郭２を有する。後述の参照では気嚢を充填するガスはヘリウムであるが、他のガスを使用しても良い。太陽電池の少なくとも１つの配列３は外郭２に可撓性を有する状態で装着される。図示されるように太陽電池配列３は外郭２の周囲の四分の一強延び且つ飛行船の前方端部に位置する。発射時に外郭の気嚢が一部のみ、典型的には外郭２の最終的容量の約６〜８％のみヘリウムで充填され、飛行船は図１に示す”膨張された”形状にはならないであろう。部分的にガスで充填された飛行船の発射後は、ヘリウムは、飛行船が大気中を７０，０００フィート等の作業高度まで上昇するに従って徐々に吸気される。この作業高度に到達した際、飛行船は図１に略示される形状になる。
【００２０】
飛行船１は、図２ａ〜ｃに示すようにゴンドラ５に配列される内部ペイロードを有する。ゴンドラは、ケーブル６〜１０を用いて外郭２に取付けられる。ケーブル６は、ゴンドラ５から外郭２上の取付点１３に延びる。ケーブル７は、ゴンドラから、ケーブル８が取付点１５、１６で外郭に結合されたケーブル８の端部の反対側で走行するプーリ１４に延びる。ケーブル９は、ゴンドラ５から、ケーブル１０が取付点１８、１９で外郭に結合されたケーブル１０の両端部で走行するプーリ１７に延びる。ウィンチ（図示せず）は、ケーブル６、７、９の長さを変化させるためにゴンドラに設けられる。
【００２１】
図２ａに示す位置において、太陽電池配列３は、飛行船１の長手方向軸線２０を通過する垂直平面Ｖの左側に装着される。また、太陽電池配列３の重心２１は軸線２０の左側に位置され、該配列の重量は、長手方向の軸線２０の右側に位置されるゴンドラ５により釣り合わされる。従って飛行船は、飛行船を回転させないように釣り合いを取る配列３とゴンドラ５との重量により安定状態を維持する。
【００２２】
飛行船は、軸線２０の真下で垂直平面Ｖ方向にゴンドラ５を移動させることにより回転させることができる。添付図面に示すように、ゴンドラ５は、垂直平面Ｖ内の点２３を中心とした円弧路２２に沿って移動する。ゴンドラは、ゴンドラ５にあるウィンチ（図示せず）の作動により移動する。特にウィンチは、図２ｂに示す位置に太陽電池配列を再位置決めする間に、ケーブル６、７を縮め且つケーブル９を延ばすように作動される。図２ｂでは、配列３とゴンドラ５との重心２１は、長手方向軸線２０の両側の垂直平面Ｖに位置される。飛行船の外郭は、約４５°回転され、太陽電池配列は、飛行船の真上から照射する入射太陽放射線を受容するために上方に向くように位置される。
【００２３】
また、ウィンチはケーブル６、９の長さを増大させ且つケーブル７の長さを減少させるように作動され、添付図面に示すようにゴンドラ５は垂直平面Ｖから左側に離間するように移動され、外郭２は時計回りに回転される。図２ｃは、他の最端部位置にある外郭２と配列３とを示している。
【００２４】
ウィンチの適切な作動により外郭２は、翌日の夜明けに入射太陽放射線を受容するために図２ａに示す位置に向かって半時計回りに回転させることができる。
【００２５】
ゴンドラ５の位置は太陽電池配列３を位置決めさせるように飛行船を回転させるために制御する必要があることが判るであろう。従って、ケーブルの巻取りと巻き出しとを制御するウィンチの連続的制御により、配列３は上空を通過する太陽の軌道に合わせることができる。このように太陽電池配列３の位置は、好ましくは太陽電池配列により収集される入射太陽放射線量を最大にさせる又は増加させるように制御される。ウィンチの制御は、他の操縦面の位置や推力方向変換システム又はこれに類似するシステムの作動状態等の飛行船の制御に直接関係する他の制御情報をも受信する飛行船の飛行制御システム全体の一部を形成する。
【００２６】
上述のタイプの単一外郭の飛行船は、外郭が略９０°又は９０°以上の比較的大角度をその長手方向の軸線周りに回転されるようにすることができる。飛行船は本質的に回転胴体形状を有するので、飛行船の空力特性は、飛行船の長手方向の軸線周りに回転させることによりあまり変化しない又はほとんど変化しない。
【００２７】
本発明は非剛体の飛行船を参照して記載してきたが、他のタイプの飛行船にも使用可能である。例えば太陽電池配列は、上空を移動する太陽の軌道に合わせるために外郭に関して移動させるように剛体又は半剛体の飛行船の外郭に可動状態で装着されることもできる。
【００２８】
本発明は、飛行中においても萎められた状態で地上にあるときにも飛行船を覆うことを目的としている。従って”飛行船”という語は、萎められた又は部分的に膨張された気嚢を有する飛行船を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 成層圏飛行船の飛行中の略示図である。
【図２】 図１の飛行船が飛行船の外部に装着される太陽電池配列手段を再度位置決めするために回転する方法を示す略示図である。
【図３】 図１の飛行船が飛行船の外部に装着される太陽電池配列手段を再度位置決めするために回転する方法を示す略示図である。
【図４】 図１の飛行船が飛行船の外部に装着される太陽電池配列手段を再度位置決めするために回転する方法を示す略示図である。
【図５】 図１の飛行船が飛行船の外部に装着される太陽電池配列手段を再度位置決めするために回転する方法を示す略示図である。

Claims (9)

1. 長手方向に延びる軸線（２０）を有する外郭（２）を提供する気嚢手段と、
   前記外郭（２）の周囲の一部のみの周りに延びるように前記外郭の外部に装着されるべく配列された太陽電池配列手段（３）とを備え、
   さらに、重量移転手段（６〜１０）が、前記太陽電池配列手段（３）により収集された入射太陽放射線量を増加させる又は最大にさせる制御をさせるように長手方向の前記外郭の軸線（２０）の周りに前記太陽電池配列手段（３）を回転させるために設けられることを特徴とする飛行船（１）。
2. 前記太陽電池配列手段（３）は、前記飛行船の外郭（２）に固く取付けられることを特徴とする請求項１に記載の飛行船。
3. 前記太陽電池配列手段（３）は、前記飛行船の基礎的必要動力を配列の必要領域に付与するように前記外郭（２）の長手方向に十分に延びることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の飛行船。
4. 前記太陽電池配列手段（３）を効果的に回転させるための前記回転手段は、可動な重量手段（５）を含み、
   前記太陽電池配列手段（３）と前記重量手段（５）との重心は、前記長手方向の軸線（２０）すなわち前記飛行船の浮力軸線を通過する垂直平面の両側に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の飛行船。
5. 前記重量手段（５）は、前記配列手段（３）の重量を相殺するように側方にオフセットすることができる前記飛行船のペイロードモジュールを備えることを特徴とする請求項４に記載の飛行船。
6. 前記ペイロードモジュール（５）は、前記外郭（２）の内部に完全に包含されることを特徴とする請求項５に記載の飛行船。
7. 前記回転手段（６〜１０）は、ケーブル・ウィンチ手段を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の飛行船。
8. 前記ケーブル・ウィンチ手段は、前記飛行船の外郭（２）から重量手段（５）を吊り下げる吊り下げ手段を作るための、ケーブル（６、７、９）を巻き取り／巻き出す一連のウィンチを備えることを特徴とする請求項７に記載の飛行船。
9. 飛行船の外郭（２）上の外部に装着される太陽電池配列手段（３）に入射太陽放射線を収集する方法であって、
   前記太陽電池配列手段（３）により収集された前記入射太陽放射線量を制御するために重量移転手段を使用して前記外郭（２）の長手方向の軸線周りに前記太陽配列手段（３）を回転させる工程を含むことを特徴とする方法。

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