CN101830279A - 光风能量互补式空中气艇船 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供光风能量互补式空中气艇船：它酷似船形，通过吸收光能又吸收风能的互补能量方式，满足了空中气艇船所需动力；通过垂直管道涡流、装存氦气、热空气膨胀方式，保证了空中气艇船的垂直升降和长时悬停；通过旋转管道喷流方式，解决了直角转向和锐角转向的高难度转向问题，实现了全推力矢量化的一种技术效果。本空中气艇船为全对称式结构设计，它集马格努斯效应风轮、热空气妙用、涡旋流体、旋转技术于一身，在食物充足情况下，能够达到全年候不落地空中飞行或水上航行目的，是地面灾难时的人类空中居所；它可在任何地方起飞、降落和悬停，是旅游、观光、探险、救灾等的理想工具。

Description

光风能量互补式空中气艇船

一、技术领域

本发明技术涉及清洁能与飞行器，尤其是涉及到以太阳能、风能为驱动主动力；以垂直管道涡流、轻元素氦气、热空气膨胀为垂直升降与悬停主动力，以旋转管道喷流为全方位转向主动力的一种全推力矢量化的可全年候不落地航行的空中气艇船发明。

二、背景技术

早在20世纪60年代，科学家就把太阳能运用在了空中飞行器上；并在上世纪80年代初时，美国就研究出了太阳能飞机。但遗憾的是，近三十年时间过去了，不管是太阳能飞机也好，还是太阳能飞行器也好，都只是一种无人驾驶的交通工具，只能应用在空中侦察，通信，广告航拍，监视火灾，环境监测等上面，而不能用在载人上面，不能用在救人上面，使太阳能飞机，太阳能飞行器失去了很大一部分作用，没有达到真正为人类服务的目的。

既便如此，太阳能飞机，太阳能飞行器在无人驾驶设计制作上，也还存在着诸多弊端：

一、其造型不科学，机翼太长，太薄，结实度不够，容易被折断。到至今问世的太阳能飞机，太阳能飞行器，其重量都很轻，一般为几百公斤，最重的才两吨多，而机翼却超过了客机、运输机等飞机的机翼，一般都在七、八十米左右，最长的已经达到了150米以上。这经不住一般风雨的吹拂，更不要说经得住狂风暴雨的吹打了。例如美国航空航天局的太阳能无人驾驶飞行器″赫利俄斯″号。该飞行器以太阳辐射能为动力，辅以高能量密度储电池，曾于2001年8月13日达到了29.4千米的飞行高度，以及约18小时的留空时间；但不幸的是，2003年6月26日再次试飞时突然在空中解体，坠入到夏威夷考艾岛的附近海域里。

二、升空方式十分牵强，必须要借助跑道，并且还要借助人力带动才能起飞。例如英国研制的无人侦察机，虽然在太阳能侦察机机身表面涂抹了一层特殊的“太空油脂”，可以使该机功能大大增强，并且建造成本大大降低，但却无法依靠自身动力而起飞，在试飞中，还需要3名试验人员牵引它沿着跑道奔跑，才能起飞。在今天年代建造的现代机，却使用如此笨拙的原始起飞方法，算得上是太阳能飞机，太阳能飞行器的一种尴尬吧！

三、要有宽大的跑道和停机坪，否则将很难实现其航行的目的。例如瑞士阳光动力公司的全球第一架太阳能飞机——“阳光动力号”，其机翼展长达到了63.4米，堪比一架波音747-400。这是全球第一架载人的太阳能飞机。根据计划，2012年“阳光动力号”将从中国开始环球之旅行，随后是日本、美国和欧洲。这是一项伟大的壮举，但阳光动力公司的项目相关负责人孟飞却説：“太阳能飞机起降需要对机场设施进行改造，早在两年前我们就开始与中国相关部门进行沟通”，否则，将难以实现这一壮举。如此之高的苛刻性要求，对太阳能飞机，太阳能飞行器的载人环球旅行是非常巨大的一个障碍。

太阳能飞机，太阳能飞行器之所以出现这种种不足，主要源于设计上的错误：

一、设计思维错误。一提起太阳能就总认为必须要到很高的天空中去才能获取到很强的光热，才能使航行器有充足的动力能量，因此到今天推出的几乎所有的太阳能飞机，太阳能飞行器载体，都是围绕着这一理念而设计的，以致使太阳能飞机，太阳能飞行器出现了难以想象的实际困难，以至到今天都不能很好的，很理想的为人类服务。

二、设计结构错误。百分之九十九的太阳能飞机，太阳能飞行器都是长长的、薄薄的和窄窄的高展弦比机翼，总认为这样才能最大面积吸收到阳光，才容易腾飞起来并轻巧翱翔在空中，其实这是错误的，例如：机翼展长为63.4米而宽度为一米的设计，其面积才63.4平方米；如设计成直径为9米的圆形平面机翼，面积就已经大于了该机翼的面积，如果是带有弧度的圆形平面机翼，其面积就更大于该机翼的面积了，而且1∶1比例的圆形机翼，则更容易飘浮在空中，也更结实。并且在很小机场或者是不要机场都可以起飞和降落了。

三、设计动力错误。从20世纪60年代到至今，推出的太阳能飞机，太阳能飞行器都只是利用太阳能作动力来源，使得单一性的太阳能动力始终不够强劲，难以支撑能够载人的大重量飞行，自然就难以保证太阳能飞机，太阳能飞行器在没有太阳时的一种安全飞行，这大概也是太阳能飞机，太阳能飞行器到至今都没有问世能够载人机型的原因了。这种认为是太阳能飞机，太阳能飞行器名号，就只考虑单一性太阳能量为独门动力来源，其实是一种狭隘理念在作怪。如果进行一种综合互补，把空中风力能量利用起来，把轻元素氦气及其它清洁能量利用起来，把这些都没有污染的清洁能源利用起来，由此就能形成一种足够支撑太阳能飞机，太阳能飞行器一种长时间安全飞行的强劲动力能量。

这几种设计上的错误，使太阳能飞机、太阳能飞行器不能载人，或者说不能像直升飞机那样一定量的载人，应该说是太阳能飞机、太阳能飞行器的最大缺陷了。不能载人的太阳能飞机或太阳能飞行器，的确就失去了很多为人类服务的作用，特别是对人类的拯救，例如地震来了，洪水来了，就无法执行救灾任务，也无法把灾民迅速的，大量的给营救出来；尤其洪水中的救人行为更是如此重要，洪水来了被围困的人非常多，看见洪水上涨而不能施救于人，是非常痛心疾首的一件事情。使用汽艇远水不解近渴；使用气球、飞艇很不方便，且大型不说，起飞、降落又缓慢，会贻误时机；使用直升飞机也很多不足，需要好天气，并飞行时间还不能太长，例如汶川大地震中，就有一架直升飞机由于天气，能见度等问题而造成了坠毁，在灾难当中又添造了一种新的灾难。因此，把太阳能飞机、太阳能飞行器改造成为如能够当直升飞机使用，能够实现垂直升降、能够实现空中悬停，能够载人救人，能够在人类面临大灾难时，显示出一种救世主的姿态，就像传说中的挪亚方舟一样，能够拯救人的生命，能够救人出苦海，这才是太阳能飞机、太阳能飞行器自身素质所应当贡献的功用。

在国外各种航空会展上，在中国创新杯未来飞行器设计大赛上，从表面上看，出现了很多高水平的太阳能飞机和太阳能飞行器；但遗憾的是，这些设计，绝大部分都是一种空旷想法，一种纯理论描述，它没有具体结构设计，没有具体方案设计，因此，要使这些想象中的太阳能飞机，太阳能飞行器真正飞离地面为人类服务，恐怕还有一段时日。

据相关资料显示：俄罗斯已在建造能够载一万人的挪亚方舟，它虽然激动人心，但如此巨型载体，是不能运用到方方面面的人类社会活动当中去的，不能成为人类真正的救星。

三、发明内容

本发明目的是提供光风能量互补式空中气艇船：它酷似船形，通过吸收光能又吸收风能的互补能量方式，满足了空中气艇船所需动力；通过垂直管道涡流、装存氦气、热空气膨胀方式，保证了空中气艇船的垂直升降和长时悬停；通过旋转管道喷流方式，解决了直角转向和锐角转向的高难度转向问题，实现了全推力矢量化的一种技术效果。本空中气艇船为全对称式结构设计，它集马格努斯效应风轮、热空气妙用、涡旋流体、旋转技术于一身，在食物充足情况下，能够达到全年候不落地空中飞行或水上航行目的，是地面灾难时的人类空中居所；它可在任何地方起飞、降落和悬停，是旅游、观光、探险、救灾等项的理想工具。

本发明技术是这样实现的：它酷似船形并通过船的表面吸收太阳光能，通过船舷边装载风力发电***吸收风能，使空中气艇船能够白天、黑夜全天候得到太阳能和风能的互为补充能量并成为空中气艇船航行主动力；通过垂直管道涡旋气流的低压行为，空腔体装存轻元素氦气的飘升行为，圆形翼甲板夹层和机舱夹层加热空气的减重行为以及形成热气球的升力行为，使之成为空中气艇船垂直升降与空中长久悬停主动力；通过旋转管道喷射空气流作推力介质行为，使之成为空中气艇船能够进行直角转向，锐角转向的360度全方位转向的全推力矢量化主动力，它可以在任何地方起飞、降落和悬停，如再配备充足的食物，由此就可构成一种全月候不落地或全年候不落地的像飞艇一样的进行空中飞行，或像轮船一样的进行水上航行的理想载人航行器，是旅游、观光、探险、救灾等项的挪亚方舟式工具。

本发明技术的具体实施为：本空中气艇船因为要适合多种环境情况下和长时间的不落地空中飞行或水上航行，并且要最大量的吸收到光能和风能，所以在造型上要特别考究，既要符合空气动力学、流体力学等要求，又要体现出水空交通工具的一种特征。

空中气艇船的形状酷似一艘轮船，一艘从俯视角度看是圆形的轮船。空中气艇船航行时的动力来源，是通过船表面吸收太阳光能和通过船舷边装载风力发电***吸收风能的互为补充能量方式、船内部空腔装存氦气方式以及热空气膨胀和其它辅助动能方式获得的。

太阳光能量吸收装置的设计是：在空中气艇船甲板中心屹立一个莲花瓣式空心球体，空心球体表面，莲花瓣内外面和圆形翼甲板地面上都覆盖着一层高效太阳能电池膜或者是覆盖着一层高效太阳能电池板；根据太阳光不同角度辐射时，空心球体表面，莲花瓣内外面和圆形翼甲板能够各自吸收并互为反射，因而能够最大面积的吸收到太阳光的能量。太阳光能量吸收装置也可以采用高倍聚光镜方式把太阳光能量收集起来的一种方法；也可采用斯特林热机聚热发电的一种方法；同样也可以采用其它的高能效转换方法收集太阳光能量。

风能量吸收装置的设计是：在空中气艇船的圆形翼甲板船舷边缘一圈装载若干个采用马格努斯效应风轮的垂直轴风轮发电装置，马格努斯效应垂直轴风轮均匀安装在船舷边缘圈栏上。其船舷边缘圈栏就好似客轮轮船上的边缘圈栏。风能量吸收装置也可采用其它的高效能垂直轴风轮发电装置收集风能量；同样也可以采用其它的高效能转换方法的水平轴风轮发电装置收集风能量。

轻元素氦气能量装置的设计是：覆盖着高效太阳能电池膜或者是覆盖着高效太阳能电池板的空心球体里面装存轻元素氦气；在圆形翼甲板与旋转喷射气流管道之间的密闭性空腔里也装存着轻元素氦气。

采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的垂直涡流管道，从空中气艇船的中心上下贯穿，它上贯穿至莲花瓣式空心球体顶部，下贯穿机舱并直至机舱底部。垂直涡流管道上半部，悬空固定着一个装有高效耐用发热元件和热气球的圆柱热球装置，圆柱热球装置与垂直涡流管道的管壁间距为旋转气流通道。垂直涡流管道中半部安装有涡轮风扇。圆形翼甲板的夹层内安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道并构成螺旋射流状。

机舱为内外双层型半球体空间，是采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的密闭性腔体；内层半球体空间分人员居住间、货物存放间和驾驶操作间，内层半球体空间到圆形翼甲板上有一通道；内外双层型半球体空间墙壁上有一圆周边透明窗户；外层半球体与内层半球体构成夹层；夹层里面安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道也成螺旋射流状。垂直涡流管道上套着垂直转动管，垂直转动管底部与内层半球体空间地面上的中央转盘固定连接，垂直转动管顶部穿出内外双层型半球体空间与旋转喷流管道固定连接；旋转喷流管道内安装有涡轮风扇。

垂直涡流管道涡轮风扇和旋转喷流管道涡轮风扇均采用减速电机带动；中央转盘转向机构和其它机构由人通过操作杆和仪表按钮操纵，也可由人通过遥控装置进行操纵。

本发明技术因为采用了高效的光能吸收装置，所以能够得到比普通太阳能装置更多的光能量。因为采用了既能采集阳光又能反射阳光的莲花瓣装置，所以能够把阳光反射到阴暗面而得到更大面积、更多质量的光能量。因为采用了马格努斯效应风轮的高效风能装置，所以能够得到高于其它风能发电装置的风能量。因为采用了高效光风能量互补的收集方法，所以能够使空中气艇船得到超大量的能量供应。因为采用了装存轻元素氦气的方法，所以能够使空中气艇船增加飞艇式的功能。因为采用了加热空气方法，所以能够即时减轻空中气艇船的重量而利于起飞。因为采用了热空气旋转射流法，所以能够使管道气流形成旋转似的***效果。因为采用了***效果的空气旋转并下移的管道涡流方法，所以能够使空中气艇船顶部出现低压而利于空中气艇船的迅速垂直上升。因为采用了热空气膨胀方法，所以能够很快使空中气艇船上方聚集一个热气球。因为采用了轻元素氦气、加热空气、低压涡流和热气球混合运用方法，所以能够使空中气艇船轻易垂直升空并长久悬停空中。因为采用了把360度转向和气流喷射融为一体的结构设计方式，所以能够实现推力转向一体化。因为采用了中央转盘与旋转喷流管道连体设计，所以能够使操作间与转向机构同步转向。因为采用了只有中央转盘与旋转喷流管道转动而空中气艇船主体不转动的结构设计，所以能够在空中气艇船不动情况下就实现了空中气艇船的转向。因为采用了垂直涡流管道涡轮风扇和旋转喷流管道涡轮风扇的协调操作，所以能够解决飞行器当中的大迎角飞行、大仰角飞行、失速飞行、随时悬停、直角转向、锐角转向等高难度动作飞行的问题。因为采用的是光能量、风能量外加轻元素氦气能量和热空气膨胀能量以及辅助型能量的互补方式所组成的动力来源，所以能够使空中气艇船非常安全的全月候或全年候不落地空中飞行或水上航行。

四、实施例说明

以下根据附图和实施例对本发明技术作进一步详细说明。

附图1(示意图一)是光风能量互补式空中气艇船的正面透视图。

附图2(示意图二)是光风能量互补式空中气艇船的俯视图。

五、具体实施方式

实施例1：(能量获取)

空中气艇船的形状酷似一艘轮船(示意图一)，一艘从俯视角度看是圆形的轮船(示意图二)。空中气艇船航行时的动力来源，是通过船表面吸收太阳光能和通过船舷边装载风力发电***吸收风能的互为补充能量方式、船内部空腔装存氦气方式以及热空气膨胀和其它辅助动能方式获得的。

太阳光能量吸收装置的设计是：在空中气艇船甲板中心屹立一个莲花瓣式空心球体，空心球体表面(1)，莲花瓣内外面(2)和圆形翼甲板(6)地面上都覆盖着一层高效太阳能电池膜或者是覆盖着一层高效太阳能电池板；根据太阳光不同角度辐射时，空心球体表面(1)，莲花瓣内外面(2)和圆形翼甲板(6)能够各自吸收并互为反射，因而能够最大面积的吸收到太阳光的能量。太阳光能量吸收装置也可以采用高倍聚光镜方式把太阳光能量收集起来的一种方法；也可采用斯特林热机聚热发电的一种方法；同样也可以采用其它的高能效转换方法收集太阳光能量。

风能量吸收装置的设计是：在空中气艇船的圆形翼甲板(6)船舷边缘一圈装载若干个采用马格努斯效应风轮的垂直轴风轮发电装置(3)，马格努斯效应垂直轴风轮(3)均匀安装在船舷边缘圈栏(5)上。其船舷边缘圈栏(5)就好似客轮轮船上的边缘圈栏。风能量吸收装置也可采用其它的高效能垂直轴风轮发电装置收集风能量；同样也可以采用其它的高效能转换方法的水平轴风轮发电装置收集风能量。

轻元素氦气能量装置的设计是：覆盖着高效太阳能电池膜或者是覆盖着高效太阳能电池板(1)的空心球体里面装存轻元素氦气(4)；在圆形翼甲板(6)与旋转喷射气流管道(8)之间的密闭性空腔里也装存着轻元素氦气(4)。

实施例2：(结构设计)

采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的垂直涡流管道(7)，从空中气艇船的中心上下贯穿，它上贯穿至莲花瓣式空心球体顶部，下贯穿机舱并直至机舱底部。垂直涡流管道(7)上半部，悬空固定着一个装有高效耐用发热元件和热气球的圆柱热球装置(11)，圆柱热球装置(11)与垂直涡流管道(7)的管壁间距为旋转气流通道。垂直涡流管道(7)中半部安装有涡轮风扇(10)。圆形翼甲板(6)的夹层内安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道(7)并构成螺旋射流状。

机舱(12)为内外双层型半球体空间，是采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的密闭性腔体；内层半球体空间分人员居住间、货物存放间和驾驶操作间，内层半球体空间到圆形翼甲板(6)上有一通道；内外双层型半球体空间墙壁上有一圆周边透明窗户；外层半球体与内层半球体构成夹层；夹层里面安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道(7)也成螺旋射流状。垂直涡流管道(7)上套着垂直转动管(13)，垂直转动管(13)底部与内层半球体空间地面上的中央转盘(9)固定连接，垂直转动管(13)顶部穿出内外双层型半球体空间与旋转喷流管道(8)固定连接；旋转喷流管道(8)内安装有涡轮风扇。

实施例3：(控制方式)

垂直涡流管道涡轮风扇和旋转喷流管道涡轮风扇均采用减速电机带动；中央转盘转向机构和其它机构由人通过操作杆和仪表按钮操纵，也可由人通过遥控装置进行操纵。

Claims (9)

1.光风能量互补式空中气艇船，是把光能、风能、轻元素氦气、热空气膨胀、涡旋气流和垂直涡流管道、圆柱热球装置、涡轮风扇、旋转喷流管道、垂直转动管、中央转盘、机舱等进行有机整合与组合，其特征是：

光风能量互补式空中气艇船酷似船形并通过船的表面吸收太阳光能，通过船舷边装载风力发电***吸收风能，使空中气艇船能够白天、黑夜全天候得到太阳能和风能的互为补充能量并成为空中气艇船航行主动力；通过垂直管道涡旋气流的低压行为，空腔体装存轻元素氦气的飘升行为，圆形翼甲板夹层和机舱夹层加热空气的减重行为以及形成热气球的升力行为，使之成为空中气艇船垂直升降与空中长久悬停主动力；通过旋转管道喷射空气流作推力介质行为，使之成为空中气艇船能够进行直角转向，锐角转向的360度全方位转向的全推力矢量化主动力；它可以在任何地方起飞、降落和悬停，如再配备充足的食物，由此就可构成一种全月候不落地或全年候不落地的像飞艇一样的进行空中飞行，或像轮船一样的进行水上航行的理想载人航行器，是旅游、观光、探险、救灾等项的挪亚方舟式工具。

2.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其(能量获取)特征是：

太阳光能量吸收装置的设计是：在空中气艇船甲板中心屹立一个莲花瓣式空心球体，空心球体表面(1)，莲花瓣内外面(2)和圆形翼甲板(6)地面上都覆盖着一层高效太阳能电池膜或者是覆盖着一层高效太阳能电池板，根据太阳光不同角度辐射时，空心球体表面(1)，莲花瓣内外面(2)和圆形翼甲板(6)能够各自吸收并互为反射，因而能够最大面积的吸收到太阳光的能量；

风能量吸收装置的设计是：在空中气艇船的圆形翼甲板(6)船舷边缘一圈装载若干个采用马格努斯效应风轮的垂直轴风轮发电装置(3)，马格努斯效应垂直轴风轮(3)均匀安装在船舷边缘圈栏(5)上，其船舷边缘圈栏(5)就好似客轮轮船上的边缘圈栏；

轻元素氦气能量装置的设计是：覆盖着高效太阳能电池膜或者是覆盖着高效太阳能电池板(1)的空心球体里面装存轻元素氦气(4)，在圆形翼甲板(6)与旋转喷射气流管道(8)之间的密闭性空腔里也装存着轻元素氦气(4)。

3.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其(结构设计)特征是：

采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的垂直涡流管道(7)，从空中气艇船的中心上下贯穿，它上贯穿至莲花瓣式空心球体顶部，下贯穿机舱并直至机舱底部，垂直涡流管道(7)上半部，悬空固定着一个装有高效耐用发热元件和热气球的圆柱热球装置(11)，圆柱热球装置(11)与垂直涡流管道(7)的管壁间距为旋转气流通道，垂直涡流管道(7)中半部安装有涡轮风扇(10)，圆形翼甲板(6)的夹层内安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道(7)并构成螺旋射流状；

机舱(12)为内外双层型半球体空间，是采用碳纤维复合材料或者其它轻质材料制作的密闭性腔体，内层半球体空间分人员居住间、货物存放间和驾驶操作间，内层半球体空间到圆形翼甲板(6)上有一通道，内外双层型半球体空间墙壁上有一圆周边透明窗户，外层半球体与内层半球体构成夹层，夹层里面安装有高效耐用发热元件，夹层热空气直通垂直涡流管道(7)也成螺旋射流状，垂直涡流管道(7)上套着垂直转动管(13)，垂直转动管(13)底部与内层半球体空间地面上的中央转盘(9)固定连接，垂直转动管(13)顶部穿出内外双层型半球体空间与旋转喷流管道(8)固定连接，旋转喷流管道(8)内安装有涡轮风扇。

4.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其(控制方式)特征是：

垂直涡流管道涡轮风扇和旋转喷流管道涡轮风扇均采用减速电机带动，中央转盘转向机构和其它机构由人通过操作杆和仪表按钮操纵；也可由人通过遥控装置进行操纵。

5.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其特征是：采用热空气旋转射流，使管道气流形成旋转似***的下移管道涡流方法，使空中气艇船顶部出现低压。

6.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其特征是：采用热空气膨胀方法，使空中气艇船上方聚集一个热气球以加强和稳定空中气艇船的长久悬停效果。

7.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其特征是：采用360度转向和气流喷射融为一体的旋转喷流管道结构设计，中央转盘与旋转喷流管道的连体设计；使驾驶操作间与转向机构同步转向，使中央转盘与旋转喷流管道转动而空中气艇船主体不转动，以解决光风能量互补式空中气艇船的大迎角飞行、大仰角飞行、失速飞行、随时悬停、直角转向、锐角转向等高难度动作飞行问题。

8.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其特征是：太阳光能量吸收装置也可以采用高倍聚光镜方式把太阳光能量收集起来的一种方法；也可采用斯特林热机聚热发电的一种方法；同样也可以采用其它的高能效转换方法收集太阳光能量。

9.根据权利要求1所述的光风能量互补式空中气艇船，其特征是：风能量吸收装置也可采用其它的高效能垂直轴风轮发电装置收集风能量；同样也可以采用其它的高效能转换方法的水平轴风轮发电装置收集风能量。

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