本發(fā)明涉及一種可變體積的浮空器，當其上升到高空時，其水平面積可增加至多約100倍。它將大面積的活性層運送到高空，這在與直射的陽光相互作用的應用中很有價值，這些應用為諸如定向的太陽地球工程(也稱為太陽輻射管理(solar?radiationmanagement，srm))、機載太陽能發(fā)電和氣候適應。

背景技術：

1、輕于空氣的飛行器，諸如氣球或飛艇，統(tǒng)稱為浮空器，非常適合需要長時間飛行和最小能量消耗的空中應用。

2、飛艇可以是非硬式、半硬式或硬式類型。非硬式飛艇，也稱為“軟式飛艇”，是充氣至正壓時呈現(xiàn)飛艇形狀的氣體包封構件。半硬式飛艇具有一些硬式結(jié)構，但其整體形狀仍取決于氣體包封構件內(nèi)的正壓。硬式飛艇具有支撐固定形狀的蒙皮的硬式框架，含有一個或多個氣體包封構件。硬式飛艇通常較重，但更堅固，且不易發(fā)生氣體泄漏。

3、最適合長持續(xù)時間浮空器的大氣環(huán)境是平流層下部(npl2)。在平流層中，空氣大部分時間相對穩(wěn)定，給定的風或風切變施加較低的力，因為空氣密度較小。

4、為了使浮空器在上升時保持其提升能力，其包封構件必須持續(xù)排出相同的總空氣質(zhì)量。根據(jù)波義耳定律(boyle's?law)，在恒定溫度下，提升氣體的體積必須與壓力隨高度的降低成反比地增加。

5、在大多數(shù)現(xiàn)有的高空浮空器中，在地面處對氣體包封構件部分地填充提升氣體。當浮空器上升時，提升氣體膨脹，增加了氣體包封構件的體積，從而排出更大體積的空氣。

6、大多數(shù)當代高空飛艇的設計都是半硬式類型(npl2)，但現(xiàn)代材料和技術為可以到達平流層高度的輕型硬式飛艇提供了潛力。作為示例但非限制，硬式框架可以由充氣管(ptl3)或周向可膨脹環(huán)和縱向碳纖維骨架的混合體(npl3)或帶加強環(huán)的芯軸桁架(ptl12)形成。

7、硬式飛艇有時包括內(nèi)部結(jié)構諸如“副氣囊”(ptl5)，用于通過主動改變提升氣體的總體積來控制浮力?？勺冃物w艇(ptl6、ptl11)是可以重新配置其內(nèi)部結(jié)構以在有限程度上(例如“6-8倍”)改變體積和表面面積的飛艇(ptl6)。

8、某些空中應用需要大的表面面積。機載太陽能發(fā)電(ptl1、ptl7、plt10)在高空需要大面積的光伏電池。一些現(xiàn)有設計(ptl1)需要復雜的結(jié)構，這些結(jié)構必須在地面打開，并在固定位置展開。其他的(plt10)需要單獨的反射器，通過任何主導風的力量而懸吊著。

9、一些形式的太陽輻射管理(srm)需要大面積的反射表面，以便將入射的太陽輻射引導回太空。在用于機載srm的現(xiàn)有設計(ptl2)中，非浮力反射片通過一個或多個同心膨脹環(huán)和附加的支撐氣球來支撐。

10、長持續(xù)時間的飛艇需要方案來最小化或修復氣體包封構件泄漏，諸如耐用的艇身[ptl8]或自主修復系統(tǒng)[ptl9]。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是一種新型的可變體積的浮空器，由扁平氣體包封構件(102)組成；其針對附接于其的一個或多個浮空器本體(104、132、136)起到膨脹體積的作用。這些浮空器本體內(nèi)的氣室在內(nèi)部連通到扁平包封構件的內(nèi)部，使得提升氣體能夠在它們之間移動。

2、主要的創(chuàng)新是使用扁平氣體包封構件來提供上升到高空所需的膨脹體積，以及一旦展開后具有最大可能面積的扁平表面。

3、本發(fā)明是一種用于將大的表面面積呈現(xiàn)給直射陽光，以支持諸如定向太陽輻射管理(srm)、機載太陽能發(fā)電或局部氣候適應的應用的方案。

4、在高空展開既增加了入射太陽輻射的強度，又降低了因大氣擾動而損壞的風險。

5、在其收起構型中，扁平氣體包封構件(102)未充氣，并且為了緊湊性和便攜性而通常被收卷或折疊起來。與現(xiàn)有的高空浮空器不同，每個內(nèi)部連通的浮空器本體(104、132、136)的包封構件都可以在發(fā)射時完全充滿提升氣體，最大限度地提高地面提升能力。

6、隨著本發(fā)明上升，扁平氣體包封構件逐漸展開，并且每個內(nèi)部連通的浮空器本體(104、132、136)中的提升氣體膨脹到扁平氣體包封構件中。

7、在處于目標高度處的其展開構型中，扁平氣體包封構件(102)填充有提升氣體并且具有平衡浮力。深度約束結(jié)構(101)，諸如筋材，約束扁平氣體包封構件的深度并確定其形狀。充氣的扁平氣體包封構件正常情況下在兩個浮空器本體之間呈近似直線地展開。這種形狀可以通過相對小的張力來保持。

8、在優(yōu)選實施例“能收卷的浮空器”中，每個內(nèi)部連通的浮空器本體是飛艇(104)，其大部分長度是圓柱形。在其收起構型中，未充氣的扁平氣體包封構件(102)是環(huán)繞內(nèi)部連通的飛艇的圓柱形本體而收卷的。當能收卷的浮空器上升和下降時，每個內(nèi)部連通的飛艇旋轉(zhuǎn)以使扁平氣體包封構件展開和收卷起來。

9、在可選實施例“懸吊式收卷輥(suspended?roller)”中，一個或多個圓柱形收卷輥(131)懸吊在非旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部連通的浮空器本體(132、136)下方。在收起構型中，未充氣的扁平氣體包封構件(102)環(huán)繞這些收卷輥而收卷起來。發(fā)動機(134)使收卷輥旋轉(zhuǎn)以使扁平氣體包封構件展開和收卷起來。

10、本發(fā)明的所有形式在其收起構型中均相對緊湊且易于處理，但是能夠向高空展開非常大的表面面積。

11、本發(fā)明的實例被設計為在可以高達大約25km的特定目標高度上運行。扁平氣體包封構件內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(101)正常情況下被設計成使其沿著其長度和寬度具有平衡浮力。

12、對于srm，扁平氣體包封構件的表面覆蓋有高反照率材料或涂層，該材料或涂層將很大一部分入射太陽輻射反射回太空。

13、對于機載太陽能發(fā)電，扁平氣體包封構件的頂部表面將覆蓋柔性薄膜、抗紫外線的光伏電池。

14、本發(fā)明可以是地面系鏈或自主式的，取決于具體應用的要求和其展開時所處的位置。

15、技術問題

16、太陽輻射管理應用需要非常大的材料表面面積，該材料反射太陽輻射，并且在長時間范圍內(nèi)保持在原位。大的非浮力表面(ptl2)將傾向于向下垂落。

17、機載太陽能發(fā)電需要將大的光伏電池表面面積在長時間范圍內(nèi)進行暴露，才能在經(jīng)濟上可行。

18、使用輕于空氣的平臺支持這些應用，需要最大限度地通過給定體積的浮空器來運送有用的表面面積，并將該表面運送至大氣中足夠穩(wěn)定的部分。

19、長持續(xù)時間應用的最低風險環(huán)境是平流層下部，其從高緯度地區(qū)約10km以上的高度開始，到熱帶地區(qū)(tropics)的約20km(npl2)。

20、現(xiàn)有的平流層浮空器設計(npl2)只能將相對較小面積的非浮力表面運送到高空，因為它們的提升能力很小。

21、較短的持續(xù)時間或周期性應用有時在低空可以是可行的，但必須對大氣擾動造成的損害風險進行管理。

22、就其本身而言，在地面處部分填充提升氣體的扁平氣體包封構件將極其笨重、易損、難以展開和運行，并且難以回收。

23、這兩種應用中的挑戰(zhàn)是運送輕于空氣的平臺，該平臺在處于高空的展開構型中露出最大限度的表面面積，同時具有在地面進行可行操作的收起構型。

24、問題的解決方案

25、方案是一種可變體積的混合浮空器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地面是緊湊的，但當它上升到高空時，可以最大限度地擴展其表面面積。

26、本發(fā)明的基本特征如下。

27、寬度可達數(shù)千米的扁平氣體包封構件(102)提供了大的表面面積。它由提升氣體不能透過的輕質(zhì)材料制成。扁平氣體包封構件的深度受到深度約束結(jié)構諸如筋材的限制，以沿著其寬度運送平衡浮力。

28、扁平氣體包封構件可以具有單個內(nèi)部容積或在內(nèi)部劃分成多個小室。它可以是單個包封構件，或者由多個單獨的平行條帶組成。

29、連接到扁平氣體包封構件的一個或多個浮空器本體提供地面提升能力和提升氣體儲器。內(nèi)部連通到扁平包封構件內(nèi)部的浮空器本體內(nèi)的氣室提供提升氣體，當系統(tǒng)上升到高空時，提升氣體膨脹到扁平氣體包封構件中。

30、在其收起構型中，在低空處，扁平氣體包封構件未充氣，并且可以是收卷或折疊的。每個內(nèi)部連通的浮空器本體(104、132、136)內(nèi)的氣室通常完全充滿提升氣體。由于扁平氣體包封構件含有很少或沒有提升氣體，其重量完全由每個內(nèi)部連通的浮空器本體的凈提升能力來支撐。

31、隨著本發(fā)明上升以及環(huán)境壓力降低，提升氣體從每個內(nèi)部連通的浮空器本體(104、132、136)膨脹到扁平氣體包封構件(102)中。

32、在處于目標高度處的其展開構型中，扁平氣體包封構件(102)全部打開并完全充氣，使其具有平衡浮力并自支撐。保留在每個內(nèi)部連通的浮空器本體(104、132、136)內(nèi)的提升氣體提供足夠的提升來支撐其載重量。

33、深度約束結(jié)構(101)約束扁平氣體包封構件(102)的深度。當橫跨扁平氣體包封構件的橫截面的平均深度始終等于在目標高度處抵消扁平氣體包封構件的重量所需的提升氣體深度時，扁平氣體包封構件自然而然地采用水平的位置。

34、如圖12所示，內(nèi)部連通的浮空器本體可以：在扁平包封構件的一端，即單連接布局；在扁平包封構件兩端，雙連接布局；或者在扁平包封構件的中間，中央連接布局。

35、扁平氣體包封構件(102)的最大寬度主要受未充氣扁平氣體包封構件的單位面積質(zhì)量和內(nèi)部連通的浮空器本體(104)在地面處的凈提升能力的約束。

36、假設扁平包封構件的面密度為σ，起飛時提升氣體的浮力為b0，并且連接浮空器的總內(nèi)部體積為va且總自身質(zhì)量為ma，扁平包封構件的最大面積a通過以下等式得出：

37、

38、假設起飛時的大氣壓力為ps并且溫度為ts，升限高度處的溫度為tc，升限高度處的壓力pc通過以下等式得出：

39、

40、在壓力p和溫度t下扁平包封構件的深度d通過以下等式得出：

41、

42、本發(fā)明的優(yōu)選特征如下。

43、為了防止撕裂，扁平氣體包封構件通常用堅固且輕質(zhì)的帶構件或繩纜構件(115)進行加固。

44、扁平氣體包封構件可以劃分成單獨的區(qū)段，并且可以沿著其寬度加入輕質(zhì)管構件(122、126)以加速提升氣體的流動。如果是由堅固的材料制成，這些輕質(zhì)管構件也可以用作加固結(jié)構。管構件可以包括主動閥或被動閥，以控制提升氣體的流動。

45、在展開構型中，扁平氣體包封構件(102)可以通過浮空器本體(104、132、136)上的推進器(114)而保持處于輕微張力中，需要相對少量的動力。端部系鏈構件(111)有時也可以提供這種張力。

46、如果需要，可以改變深度約束結(jié)構(101)的長度，以產(chǎn)生其他形狀和姿態(tài)。深度約束結(jié)構的不均勻間隔可以幫助抑制扁平氣體包封構件中的駐波。

47、本發(fā)明可以是自主式或通過輕質(zhì)系鏈構件(111)而系鏈的。存在大量可能的自主化方式，從通過末端系鏈構件進行物理控制的系統(tǒng)、通過遠程控制的系統(tǒng)到完全自主的機器人系統(tǒng)。

48、需要對浮空器本體(104、132、136)進行精確控制，以避免對扁平氣體包封構件施加過大應力，并避免浮空器本體之間的碰撞。在雙系統(tǒng)中，從每個浮空器本體向內(nèi)延伸的伸縮臂構件也可用于管理起飛和著陸期間的分離。

49、自主化示例包括控制位置、旋轉(zhuǎn)、包封構件張力、高度、姿態(tài)和速度所需的能量儲存裝置(112)、推進裝置(114)和控制系統(tǒng)。能量儲存裝置容量并不總是足夠用于在夜間行進，但必須足夠用于控制方位以及包封構件中保持輕微張力。

50、所有實施例可以具有在浮空器本體處或在扁平氣體包封構件的中間處的附加浮力的特征。如圖7中所示出的，在雙連接的示例中，可以將額外的中央飛艇本體(127)用于支撐中央系鏈構件(111)或其他在中央安裝的硬件(諸如太陽能電池(103))的重量，并且還可以在低空處在兩個浮空器本體之間起到可壓縮緩沖器的作用。

51、在本發(fā)明的優(yōu)選實施例“能收卷的浮空器”中，每個內(nèi)部連通的浮空器本體均是具有主體的飛艇(104)，該主體的形狀實際上為圓柱形，使得扁平氣體包封構件(102)能夠環(huán)繞飛艇的主體而收卷。

52、每個圓柱形飛艇(104)具有高度徑向?qū)ΨQ性和足夠堅固的內(nèi)部結(jié)構以將扭矩從縱向軸線傳遞到圓柱形表面。

53、隨著“能收卷的浮空器”上升，每個圓柱形飛艇(104)受控的旋轉(zhuǎn)逐漸使扁平氣體包封構件(102)展開，使得提升氣體能夠膨脹到其中。

54、隨著能收卷的浮空器下降，反向旋轉(zhuǎn)使扁平氣體包封構件(102)再次環(huán)繞每個圓柱形飛艇(104)而收卷，將提升氣體擠壓到飛艇內(nèi)的氣室中。

55、如圖11所示出的，進入平流層下部所需的最低高度從極地附近的大約10km到熱帶地區(qū)的高達20km不等。在夏季極地平流層，緯向風相對低(npl2)，盡管太陽高度角較低，但一天中大部分時間太陽都在天空。這包含了對于本發(fā)明的中等持續(xù)時間應用而言最可行的工作環(huán)境。

56、現(xiàn)有的硬式飛艇具有遠低于10km的升限，但先進的材料和新穎的設計，諸如加入充氣梁的框架(ptl3、npl3)，使得更高的高度成為可能。

57、具有圓柱形主體的硬式飛艇比傳統(tǒng)的橢球形設計(npl1)更容易建造。

58、傳統(tǒng)的半硬式飛艇在包封構件的基部具有硬式龍骨(npl2)。用于浮空器本體的半硬式圓柱形飛艇沿其縱向軸線具有硬式柱梁構件(spine)。與硬式圓柱形飛艇不同，半硬式圓柱形飛艇需要氣泵、閥和控制系統(tǒng)來維持正內(nèi)壓和外部形狀。泵送提升氣體的設施潛在地使得扁平氣體包封構件(102)能夠在任何高度完全展開。

59、在“能收卷的浮空器”的自主化型式中，用于旋轉(zhuǎn)的扭矩通過懸吊在圓柱形飛艇(104)的縱向軸線上的配重(110)或加重軌道車(117)來施加，該加重軌道車沿著環(huán)繞圓柱形飛艇的表面(123)的齒軌(118)移動。

60、在可選實施例“懸吊式收卷輥”中，扁平氣體包封構件(102)纏繞在圓柱形收卷輥(131)上，該圓柱形收卷輥懸吊在常規(guī)飛艇(132)或者一個或多個非硬式浮空器(136)的組件下方。

61、在懸吊式收卷輥中，氣體管構件(116)經(jīng)由收卷輥的軸線上的旋轉(zhuǎn)接頭(135)而連接，該氣體管構件將內(nèi)部連通的浮空器內(nèi)的氣室接合到扁平氣體包封構件。發(fā)動機(134)使收卷輥(131)旋轉(zhuǎn)以使扁平氣體包封構件(102)展開和收卷。

62、在srm和太陽能發(fā)電應用兩者中，理想的是最大限度提高其與入射陽光的相互作用。這其中的關鍵因素，尤其在高緯度地區(qū)，是將包封構件直接朝向太陽的能力。

63、一些示例具有縱向移動內(nèi)部重量以完全改變飛艇的俯仰的能力。扁平包封構件還可以包括小的可移動重量或者使用壓力變化，來被動或主動地跟隨飛艇的俯仰。當風力條件允許時，這些示例可以改變扁平包封構件的俯仰以面向太陽。

64、浮空器本體中的不對稱或可變浮力可以用于產(chǎn)生沿著扁平氣體包封構件寬度的傾斜，以便使本發(fā)明朝向太陽收卷。不對稱或可變浮力還可以在低空時在浮空器本體之間產(chǎn)生垂直偏移，降低碰撞風險。

65、在srm應用中，期望的是最大限度減少與地球長波輻射的相互作用，尤其是在黑暗期間。這可以通過向地面呈現(xiàn)盡可能小的表面面積來實現(xiàn)。

66、本發(fā)明的一些示例被設計成在夜間下降和卷起。對俯仰和位置具有完全控制的示例可以在黑暗期間將扁平氣體包封構件(102)置于垂直位置，側(cè)對著主導風。一些示例可以可選地在黑暗期間使扁平氣體包封構件折起來。

67、在srm應用中，將扁平氣體包封構件(102)的上部層構件選擇為將盡可能多的太陽輻射反射回太空。為了最大限度地提高對地球輻射的凈影響，還將包封構件材料選定為最大限度地提高對地球長波輻射的透過性。

68、在srm應用中，扁平氣體包封構件可以相對簡單和廉價。為了使更復雜的導引浮空器所運送的表面面積最大化，扁平氣體包封構件可以在目標高度處與導引浮空器斷開，并在大氣中自由漂浮。然后，導引浮空器能夠下降以重新填充提升氣體，并聚集另一個扁平包封構件。在這種情況下，扁平包封構件可以在端部加入更深的區(qū)域或附加浮力，以支撐小推進器的重量。

69、本發(fā)明的有益效果

70、本發(fā)明使浮空器在目標高度處的表面面積最大化，使其增加高達100倍。

71、本發(fā)明在低空時相對緊湊，使得能夠在地面進行可行的操作和發(fā)射，并且僅需要相對小的存放空間。

72、本發(fā)明可以將非常大的輻射活性層諸如光伏膜或高反照率表面運送到陽光更強烈且大氣更穩(wěn)定的高空。

73、本發(fā)明由兩種簡單且易于理解的部件——相對標準設計的浮空器本體和具有深度約束結(jié)構的扁平氣體包封構件組成。

74、本發(fā)明的自主化型式在低空相對機動靈活，并且可以在上升到目標高度之前飛行到目標位置。

75、本發(fā)明可以主動調(diào)整其位置、角度和形狀，以最大限度地提高其與太陽光的相互作用，并最大限度地減少其與地球長波輻射的相互作用。

76、本發(fā)明是一種用于定向太陽輻射管理的可行平臺，其可以準確地減少特定位置的日照，諸如具有高氣候敏感性、保護問題或人類居住面臨挑戰(zhàn)的那些位置。

77、本發(fā)明是一種用于機載太陽能發(fā)電的可行平臺，尤其適用于缺乏合適或能承受的陸地面積的位置，或適用于逐日能源平臺(sun-following?energy?platform)。

78、在更高空處的展開對太陽能發(fā)電有若干個好處。太陽輻射強度得以增加，因為系統(tǒng)上方散射或吸收太陽輻射的大氣較少。在平流層高度，陽光的強度可以是地面的三倍。幾乎消除了由于云遮蔽造成的損失。低環(huán)境溫度還最大限度地減少了光伏電池中的熱損失。