中性浮力航行器的制造方法
【專利說(shuō)明】中性浮力航行器
[0001]本申請(qǐng)涉及中性浮力航行器，中性浮力航行器是指這樣一種航行器，即，向該航行器提供來(lái)自較低密度(該密度低于環(huán)境密度)液體的升力，升力在合適的前提下儲(chǔ)存在航行器的殼體內(nèi)，利用推力和可移動(dòng)表面來(lái)實(shí)現(xiàn)航行器在環(huán)境流體中的制導(dǎo)與導(dǎo)航控制系統(tǒng)(另外在文獻(xiàn)中縮寫為GN&C)。飛艇和潛水艇被認(rèn)為是中性浮力的航行器。本申請(qǐng)所提出的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在上文提及的航行器類型中并且涉及與推力和控制力的作用中心相關(guān)的結(jié)構(gòu)以及將上文提及的力傳遞到航行器上的系統(tǒng)。本申請(qǐng)中還提出了這樣一種方法，通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)了具有上文提及的結(jié)構(gòu)的航行器的GN&C，而且本申請(qǐng)涉及在僅能應(yīng)用在具有本申請(qǐng)所提及結(jié)構(gòu)的航行器上的縱搖軸線和橫搖軸線上進(jìn)行船體360度定向的方法。
[0002]世界上第一個(gè)曾有的關(guān)于對(duì)航空器進(jìn)行推進(jìn)/引導(dǎo)的研究在1783年12月3日由讓.巴蒂斯特.瑪麗.繆塞涅爾(Jean Baptiste Marie Meusnier)提交到法國(guó)科學(xué)院，該航空器的浮力由比空氣輕的氣體提供。第一個(gè)動(dòng)力飛艇的飛行由亨利.吉法德(HenriGiffard)在 1852 年實(shí)現(xiàn)。
[0003]直到今天，已經(jīng)提出或建造了與推力的作用中心位置和導(dǎo)航控制有關(guān)的各種類型的飛艇，這些飛艇主要有:
[0004]1.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成與拖曳力作用中心相比更靠近航行器前部。質(zhì)量、推力和升力的作用中心不與由拖曳力限定的軸線重合。航行器的GN&C通過(guò)移動(dòng)擾流器而實(shí)現(xiàn)，該擾流器安裝在航行器后部處的穩(wěn)定水平舵(fin，翼片)上。這種類型的航行器在下文中將被稱為I類航行器。
[0005]2.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成與拖曳力作用中心相比更靠近航行器的前部且與航行器的質(zhì)量中心相比更靠近升力的中心和由拖曳力方向限定的軸線。航行器的GN&C通過(guò)移動(dòng)擾流器而實(shí)現(xiàn)，該擾流器安裝在航行器后部處的穩(wěn)定水平舵上。這種類型的航行器在下文中將被稱為2類航行器。
[0006]3.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成與拖曳力的作用中心相比更靠近航行器的前部。該推力作用中心還與由拖曳力方向限定的軸線重合。航行器的GN&C通過(guò)移動(dòng)擾流器而實(shí)現(xiàn)，該擾流器安裝在航行器后部處的穩(wěn)定水平舵上。這種類型的航行器在下文中將被稱為3類航行器。
[0007]4.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成與拖曳力作用中心相比更靠近航行器的尾部。推力作用點(diǎn)與航行器的縱向軸線重合并由一個(gè)單元所提供。航行器的GN&C通過(guò)移動(dòng)擾流器而實(shí)現(xiàn)，該擾流器安裝在航行器后部處的穩(wěn)定水平舵上。這種類型的航行器在下文中將被稱為4類航行器。
[0008]5.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成與拖曳力作用中心相比更靠近尾部。推力作用中心與包絡(luò)線的縱向軸線重合并由一個(gè)單元所提供。航行器的穩(wěn)定性通過(guò)位于航行器后部處的穩(wěn)定水平舵而實(shí)現(xiàn)并且GN&C通過(guò)推力矢量而實(shí)現(xiàn)。這種類型的航行器在下文中將被稱為5類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為格林?丹尼爾(GEERY DANIEL)、名稱為“高機(jī)動(dòng)性動(dòng)力飛艇”、編號(hào)為US2005263642、以及申請(qǐng)日為2004年11月4日。
[0009]6.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成朝向航行器的后部更靠近重力、升力和拖曳力的作用中心。穩(wěn)定性和GN&C通過(guò)改變推力的角度或大小而實(shí)現(xiàn)，該推力由位于航行器的后部處的推力系統(tǒng)提供。這種類型的航行器在下文中將被稱為6類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為李儀春(LEE YEE-CHUN)、名稱為“具有相關(guān)的系統(tǒng)和方法的邊界層推進(jìn)飛艇”、編號(hào)為W02009105160、申請(qǐng)日為2009年2月6日。
[0010]7.由多個(gè)推力單元推進(jìn)的飛艇，多個(gè)推力單元位于吊艙任一側(cè)上的沿著航行器縱向軸線的不同位置處。這種類型的航行器在下文中將被稱為7類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為約翰?恩洛?布羅伊勒斯(JOHN ENLOE BROYLES)、亨利?埃蒙特?羅伯森(HENRY EMMET ROBERTSON)和西奧多?亨利?維勒(THEODORE HENRY WEILER)、名稱為飛艇的改進(jìn)、申請(qǐng)?zhí)枮镚B250602、申請(qǐng)日為1926年4月8日。
[0011]8.由成組的多個(gè)單元推動(dòng)的飛艇，每個(gè)組的合成推力作用中心位于沿著航行器縱向軸線的不同位置上。航行器的穩(wěn)定性和GN&C僅通過(guò)改變所產(chǎn)生的推力的大小與角度的關(guān)系而實(shí)現(xiàn)。這使得無(wú)需使用在某些情況(在航行器周圍存在非常小的流或不存在流時(shí)操縱該飛行器)下具有益處的用于穩(wěn)定和控制的水平舵。這種類型的航行器在下文中將被稱為8類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為納吉?伊姆雷(Nagy Imre),名稱為“高速飛艇”、編號(hào)為W02005019025、以及申請(qǐng)日為2003年8月15日。
[0012]9.具有推力作用中心的飛艇，該推力作用中心定位成朝向航行器的前部更靠近拖曳力作用中心，并且該推力作用中心定位在與拖曳力軸線重合的位置中，升力中心也與該拖曳力軸線重合。穩(wěn)定性由位于航行器后部中的水平舵提供。由航行器的縱向軸線和推力作用點(diǎn)所設(shè)定的與水平面垂直的方向控制通過(guò)從兩個(gè)單元中的一個(gè)提供較大的推力同時(shí)在上文提及的垂直相交的平面中通過(guò)由單元提供的推力的方向變化而實(shí)現(xiàn)。這種類型的航行器在下文中將被稱為9類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為克勞斯.托馬斯(Krause Tomas)、名稱為“飛艇”、編號(hào)為W02008110385以及申請(qǐng)日為2008年3月17日。
[0013]10.由一個(gè)推力單元推進(jìn)的飛艇，該推力單元以所提供的推力的軸線與航行器的縱向軸線重合的方式定位在最前端處?？刂坪头€(wěn)定性通過(guò)位于航行器后部上的水平舵而實(shí)現(xiàn)。這種類型的航行器在下文中將被稱為10類航行器，對(duì)于這類航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為菲利普.奧古斯特(PHILIPPE AUGUSTE)、名稱為“與可操縱的氣球有關(guān)的改進(jìn)”、編號(hào)為GB191116635A、申請(qǐng)日為1911年7月19日。
[0014]11.由兩個(gè)推力單元推進(jìn)的飛艇，兩個(gè)推力單元以每個(gè)推力單元方向的軸線與航行器縱向軸線重合的方式定位在前端部部分和后端部部分處，航行器縱向軸線通過(guò)改變一個(gè)單元或兩個(gè)單元的方向或通過(guò)適于航行器后部的水平舵而被引導(dǎo)。這種類型的航行器在下文中將被稱為11類航行器。這種類型的航行器在下文中將被稱為11類航行器，對(duì)于這種航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為布瑞克斯?沃爾夫?qū)?BRIX WOLFGANG)、名稱為“螺旋槳驅(qū)動(dòng)飛艇在每個(gè)端部上具有可變換方向的螺旋槳以進(jìn)行輔助操縱”、號(hào)碼DE10065385(A1)、日期 2000/12/27。
[0015]12.由包括超過(guò)兩個(gè)單元的兩個(gè)組推進(jìn)的飛艇，每組中的一個(gè)單元位于前端部中，而另一個(gè)單元以所提供的推力的合力的軸線與航行器的縱向軸線重合的方式位于后端部中。穩(wěn)定性和GN&C通過(guò)推力矢量來(lái)保證。這種類型的航行器在下文中將被稱為12類航行器，對(duì)以這種航行器我們可列出如下信息:發(fā)明人為沃利斯.邁克爾.托德(VoorheesMichael Todd)、名稱為“差速器止推控制系統(tǒng)”、申請(qǐng)?zhí)枮閁S2009127385以及申請(qǐng)日為2008年5月6日。
[0016]目前為止現(xiàn)有的航行器具有下列特性和限制，這些特性和限制在與航行器的任務(wù)有關(guān)的特定條件下可被認(rèn)為是缺點(diǎn):
[0017]對(duì)于I類、2類航行器而言，我們觀察到:
[0018]A.位于與拖曳力作用點(diǎn)相距一距離處的推力軸線導(dǎo)致在上文中提到的力的作用期間隨著航行器的扭力作用。扭力被定中心在由作用點(diǎn)限定的線段上。上文中的趨勢(shì)扭矩的方向由所提供的推力的方向和拖曳力的軸線確定。扭力的大小取決于下列因素:
[0019].相對(duì)于拖曳力大小而提供的推力的大小。
[0020].拖曳力的作用點(diǎn)與推力的合力之間的距離。
[0021].相對(duì)于流場(chǎng)力航行器的軸線而確定的線段的角度。
[0022].航行器的重心與垂直的拖曳力作用中心之間的距離。
[0023].航行器的總質(zhì)量。
[0024].由航行器的重心和拖曳力的作用中心限定的線段與由拖曳力的方向限定的軸線之間的角度。
[0025]上文中的扭力趨于使航行器圍繞縱搖軸線旋轉(zhuǎn)。這具有限制所提供的最大推力的大小的效果并且因此具有限制最大可達(dá)到速度的效果，這是因?yàn)橥屏Φ姆糯笥砂j(luò)線抵抗彈性變形的強(qiáng)度所限制，該強(qiáng)度取決于:
[0026]?用于其結(jié)構(gòu)的材料
[0027].在無(wú)框架飛艇的情況下的內(nèi)部壓力
[0028].包絡(luò)線的形狀
[0029].航行器的拖曳力系數(shù)
[0030]B.如果重心位于遠(yuǎn)離升力中心的位置，則航行器圍繞橫搖軸線的特定角度被確定。
[0031]C.除了在其質(zhì)量的離心力的影響下垂直于首搖軸線改變方向之外，航行器還趨于圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)。
[0032]對(duì)于1、2、3、4、5類航行器而言，其在縱搖、首搖和橫搖軸線處的角度僅通過(guò)水平舵來(lái)確定，我們觀察到:
[0033]A.水平舵僅在其繞流具有令人滿意的速度時(shí)才是有效的。
[0034]B.水平舵和航行器殼體的必要適配系統(tǒng)不利于其質(zhì)量以及航行器的總質(zhì)量。
[0035]C.水平舵的設(shè)計(jì)及其附接系統(tǒng)需要大量的總設(shè)計(jì)時(shí)間以及在生產(chǎn)之前對(duì)航行器的測(cè)試。
[0036]D.水平舵以及適于航行器的殼體的系統(tǒng)極大地有助于航行器的拖曳力系數(shù)的大小。其貢獻(xiàn)在橫向流動(dòng)現(xiàn)象中被放大，有助于從期望路徑的范圍扣除和在地面上操縱航行器的困難度。
[0037]對(duì)于5類和6類航行器而言，我們觀察到I類、2類、3類、4類、5類航行器的上文中所提到全部缺點(diǎn)加上下列下列缺點(diǎn):
[0038]A.所提供的推力相對(duì)于航行器的縱向軸線的最大角度是90度；因此使推力反向僅可通過(guò)馬達(dá)的反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0039]B.推力作用在拖曳力作用中心后面的航行器后部上，這使航行器不穩(wěn)定。這些導(dǎo)致與用于其操縱所需要的微調(diào)結(jié)果和調(diào)節(jié)對(duì)立的較大柔性。
[0040]C.在側(cè)風(fēng)的影響下，大量的能量需要與微調(diào)結(jié)合，以使航行器克服風(fēng)的影響而保持期望的航線。為此，承擔(dān)這種類型的航行器的研