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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeuge,
die leichter als Luft sind, insbesondere auf ein autonomes Stratosphären-Luftschiff
mit einer Struktur mit neutralem Auftrieb auf Flughöhe, das
die Speicherung und Sammlung von regenerativer elektrischer Energie
verwendet. Diese Anmeldung bezieht die vorläufige US-Anmeldung mit der
Nummer 60/111,835, die am 11. Dezember 1998 eingereicht wurde, und
die US-Patentanmeldung mit der Nummer 09/247,878, die am 15. Februar
1999 eingereicht wurde, ein.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
der Vergangenheit wurde eine Reihe von Luftschiffen, von anderen
Typen von Fahrzeugen, die leichter als Luft sind, Heißluftballons
usw. für
den Passagiertransport, für
Rettungarbeiten, Hubanlagen und für den Transport von Gütern und
Ladungen gestaltet und verwendet. Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein angetriebenes Luftschiff mit einer Auftriebsstruktur,
die besonders für
den Betrieb in der Stratosphäre
gestaltet ist. Dieses vereinigt eine autonome Navigationsfähigkeit
und ein regeneratives Sammel- und Speichersystem für elektrische
Solarenergie, durch das ermöglicht
wird, dass das Luftschiff für
eine ausgedehnte Zeitdauer oben bleibt, während einem spezifischen Kurs
gefolgt wird und missionsspezifische Daten erfasst werden.
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Der
Stand der Technik zeigt zahlreiche Versuche, einen Teil der Fähigkeiten,
die im Stand der Technik verkörpert
sind, vorzusehen; es wurde jedoch keiner aufge funden, der alle nachstehend
genannten Fähigkeiten
aufweist und jeder dieser Versuche hatte die Tendenz, dass ziemlich
komplizierte mechanische Strukturen verwendet werden. Die beiden
US-Patente Nr. 5.333.817 und 5.538.203 weisen beide ein Auftriebs-Einstellungssystem
für ein
Fahrzeug, das leichter als Luft ist, auf, wobei eine Reihe von Ballonets
beteiligt ist, die jeweils entlang der Längsachse des Luftschiffs in
gleicher Anzahl vorgesehen sind. Die Aufgabe dieser Erfindungen
besteht darin, ein System zur unabhängigen Steuerung des Ballonet-Aufblasens/Ablassens
vorzusehen, das auf die durch Rohre geführte Kopplung mit individuellen Ballonets
verzichtet. Außerdem
sieht das US-Patent Nr. 5.538,203 ein schnelles Ablassen des gleichen Ballonet-Systems
vor, statt lediglich das Lüften
von diesem zur Atmosphäre.
In beiden Fällen
ist dieses System relativ einfach und berücksichtigt nicht den Differentialdruck
zwischen der Atmosphäre,
dem umgebenden Luftschiff-Gassack und dem Druck in den einzelnen
Ballonets.
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Das
US-Patent Nr. 5.348.254, das an Nakada ausgegeben wurde, beansprucht
eine Luftschiffgestaltung für
Flüge mit
langer Dauer, die durch Solarzellenbatterien und ein Wasserstofferzeugungssystem
angetrieben wird. Dieses System vermeidet die Notwendigkeit von
Batterien durch elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff; jedoch
kann ein unvorhergesehenes Durchstechen der Wasserstoffspeicherhülle leicht
ein vollständiges
Zerstören
des Luftschiffs ergeben.
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Das
US-Patent Nr. 4.995.572, das an Piasecki ausgegeben wurde, beschreibt
eine mehrstufige Datenerfassungsplattform für große Höhen, das die Kombination eines
steuerbaren Luftschiffs für
geringe Höhe
und eines Stratosphärenballons
für die
Verwendung bei 60.000 ft. bzw. Fuß und darüber aufweist. Die primäre Aufgabe
dieser Er findung besteht darin, eine stabile Startplattform für das Anheben
von schweren Nutzlasten auf Stratosphärenhöhen vorzusehen. Das Luftschiff
enthält
einen Behälter,
der zur Aufnahme des Stratosphärenballons
zum Starten von geringen Höhen
verwendet wird. Ein solches Mehr-Fahrzeug-Nutzlast-Hubsystem ist ziemlich komplex
und zum Erlangen der Vorteile und zum Lösen der Aufgaben der vorliegenden
Erfindung unnötig.
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Das
US-Patent Nr. 4.204.656, das an Seward III ausgegeben wurde, offenbart
ein zweiachsiges Antriebs-Steuersystem
für Luftschiffe.
Dieses System verteilt nicht, wie es in den Patentzeichnungen gezeigt
ist, die Antriebsmotorleistung gleichmäßig zwischen der aufsteigenden/absteigenden
und linken/rechten Bewegungsachse. Außerdem werden die Drehmomentaufbringkräfte des
Antriebsmotors auf die Enden der Ausrichtungsachsen aufgebracht, wodurch
eine stark erhöhte
Last beim Antriebs- bzw. Vortriebsrichtung-Antriebssystem
verursacht wird.
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Das
französische
Patent Nr. 86 02734 offenbart ein zweiachsiges, symmetrisches Antriebssystem
für Luftschiffe.
Dieses System weist eine Gruppe von zwei oder mehr Motoren auf,
die sich gemeinsam bewegen, um die Bewegung des Luftschiffs auszurichten.
Diese Anmeldung erfordert eine Vielzahl von Motoren, die zur Implementierung
der vorliegenden Erfindung unnötig
sind.
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Das
US-Patent Nr. 4.934.631, das an Birbas ausgegeben wurde, beschreibt
ein Fahrzeug, das leichter als Luft ist, das eine Rahmenkonstruktion aufweist,
die durch eine Reihe von aufblasbaren Auftriebs- bzw. Hubsäcken umgeben
ist. Jeder Sack enthält
ein Heizelement und Auftriebsgas. Das Antriebssystem weist einen
ummantelten Propeller mit Fügeln
auf, um die Antriebskraft auszurichten. Während dieses Luftschiff eine
einzige Antriebseinheit verwendet, um durch die Luft zu navigieren,
hat dieses eine komplizierte Baugruppenstruktur zur Folge, die für eine preisgünstige Konstruktion
unbrauchbar ist. Außerdem hat das Luftschiff keine Einrichtung zum
autonomen Navigieren oder Aufrechterhalten des Standortes oberhalb
eines fixierten Punktes der Erdoberfläche in autonomer Weise.
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Das
japanische Patent Nr. 5-221387A offenbart ein Luftschiff, das aus
transparenten Materialien aufgebaut ist, wobei eine Solarzellenanordnung
angeordnet ist, um Energie von der Sonne aufzunehmen. Jedoch ist
diese Gestaltung nicht für
eine Einstellung von Mehrachsen-Anordnungen
konstruiert, um die maximale Menge an Solarenergie auf der Grundlage
der Luftschiffposition im Verhältnis
zur Sonne einzufangen. Es ist nur eine einzige Längs-Rotationsachse für die Anordnung
gezeigt. Andere Patente, wie z.B. das japanische Patent Nr. 54-35994,
das US-Patent Nr. 5.518.205, an Wurst ausgegeben, und das US-Patent Nr. 4.364.532,
das an Stark ausgegeben wurde, beschreiben alle solargetriebenen
Luftschiffe mit Solarzellen, die sich auf der Oberflächenstruktur
des Schiffs befinden. Auch hier schließt die spezifische Anordnung
der Zellenstruktur die Verwendung der optimalen Positionierung der
Zellen zum Einfangen der maximalen Menge an Solarenergie, die bei
einer geänderten
Position des Luftschiffs im Verhältnis
zur Sonne zu gewinnen ist, aus.
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Das
Dokument
US 4 364 532 bezieht
sich auf eine-Vorrichtung zum Sammeln von Solarenergie in großen Höhen und
auf schwebenden bzw. sich in Luft bewegenden Strukturen, wobei eine
Kollektoreinrichtung in einer großen Höhe oberhalb der Erde zur Verwendung
der kalten Luft in solchen Höhen zum
Kühlen
einer Fotozelle positioniert ist.
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Keine
der vorstehend genannten Erfindungen ist auf eine autonome Plattform
gerichtet, die speziell für
den Flug in der unteren Stratosphäre gestaltet ist. Außerdem ist
keine auf ein Luftschiff gerichtet, das zum Steuern der Betriebshöhe in der Lage
ist, einschließlich
des Aufrechterhaltens einer fixierten bzw. stationären Position
oberhalb eines Punktes auf der Erdoberfläche oder einer Navigation zwischen
vorbestimmten Wegpunkten. Ferner ist kein Stand der Technik auf
ein autonomes Luftschiff mit einer speziell konstruierten Solarzellenanordnung-Energieextraktionsquelle
gerichtet, die ausreichende Energie zum Antrieben während des
Tages vorsieht und eine ausreichende Energie für den kontinuierlichen Betrieb
in der Nacht speichert.
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Daher
ist es wünschenswert,
ein autonomes Luftschiff zu haben, das für den Flug in der unteren Stratosphäre speziell
gestaltet ist, wobei die Fähigkeit
besteht, eine fixierte Position über
einem Punkt auf der Erdoberfläche
zu halten oder zwischen vorbestimmten Wegpunkten zu navigieren.
Zusätzlich
ist es wünschenswert,
ein autonomes Luftschiff zu haben, das zum Steuern seiner Betriebshöhe in der Lage
ist, wobei Ballonets verwendet werden, um die Nickachsen-Höhe zu steuern.
Ferner ist es wünschenswert,
ein autonomes Luftschiff zu haben, das einen einzigen Motor für den Antrieb
verwendet, der die Antriebs- bzw. Vortriebskräfte entlang der Richtachsen
der Gelenkeinrichtung gleichmäßig verteilt.
Es ist ebenfalls wünschenswert,
ein autonomes Luftschiff zu haben, das die Solarenergie zum Betreiben
des Antriebs während
des Tages verwenden kann und zusätzlich
eine ausreichende Energie zum kontinuierlichen Betrieb in der Nacht
speichern kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein autonomes Luftschiff
offenbart, das speziell für
den Flug in der unteren Stratosphäre gestaltet ist, wobei die
Fähigkeit
zum Aufrechterhalten einer fixierten Position über einem Punkt auf der Erdoberfläche besteht.
Außerdem
sieht das Luftschiff eine autonome Steuerung und Navigation zwischen
vorbestimmten Wegpunkten vor oder kann dieses programmiert sein,
um in der optischen Sichtlinie einer vorbestimmten Position auf
der Erdoberfläche
zu bleiben, indem eine Anpassung an die Windgeschwindigkeit vorgenommen
wird.
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Weitere
Merkmale des Luftschiffes, das die vorliegende Erfindung verkörpert, sind
die Konstruktion aus polymerbasierten Film-Materialien mit hoher Festigkeit
und geringem Gewicht für
die Festigkeit und transpartentem, lichtdurchlässigen Material für das Sammeln
von Solarenergie durch intern montierte Solarzellanordnungen. Das
autonome Luftschiff kann in einem unaufgeblasenen Zustand gestartet werden
und erfordert weder Steuerung noch Antrieb während des Aufsteigens. Die
intern montierten Zellenanordnungen reduzieren den aerodynamischen Strömungswiderstand,
sehen eine Richtfähigkeit
für das
maximale Sammeln von Solarenergie vor, werden durch einen Luftkanal
gekühlt
und sind in einer getrennten Kammer enthalten, die den Zugang zu den
Zellenanordnungen von außerhalb
des Luftschiffs gestattet.
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Das
die vorliegende Erfindung verkörpernde Luftschiff
kann aufweisen einen Rumpf, der einen eingeschlossenen Hohlraum
definiert, ein Auftriebsgas, ein vorderes Ballonet, ein hinteres
Ballonet und eine Gerätezelle
bzw. Gerätschaftsabteilung
mit Anordnung im Hohlraum, wobei die Zelle eine eingeschlossene
Kammer definiert, und ein Gesamtluftmanagement-Teilsystem, zumindest
eine Solarzellenanordnung, eine Vielzahl von Energiespeichereinheiten und
ein autonomes Steuersystem mit Anordnung in der Zelle, wobei die
Kammer mit dem vorderen und hinteren Ballonet in Fluidverbindung
steht, ein Antriebssystem, das am Rumpf befestigt ist und das mit zumindest
einer Solarzellenanordnung und den Energiespeichereinheiten in elektrischer
Verbindung steht, und eine Vielzahl von Heckrippen, die am Rumpf
befestigt sind. Das Luftmanagement-Teilsystem kann ferner ein vorderes
Luftmanagement-Teilsystem
mit einem Kompressor und ein hinteres Luftmanagement-Teilsystem
aufweisen, wobei das vordere Luftmanagement-Teilsystem mit dem vorderen Ballonet
und der Zelle in Fluidverbindung steht und das hintere Luftmanagement-Teilsystem
mit dem hinteren Ballonet und der Zelle in Fluidverbindung steht. Das
vordere Luftmanagement-Teilsystem
kann einen Drucksensor für
das vordere Ballonet aufweisen und das hintere Luftmanagement-Teilsystem
kann einen Drucksensor für
das hintere Ballonet aufweisen. Das vordere Luftmanagement-Teilsystem
und das hintere Luftmanagement-Teilsystem können jeweils ein Auftriebsgas-Freigabeventil
aufweisen, wobei die Ventile mit dem Rumpf in Fluidverbindung stehen.
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Das
Antriebssystem der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Kardangehäuse, eine
Motor- und Getriebebaugruppe, einen Motordrehzapfen und einen Propeller
aufweisen, wobei das Gehäuse
am Rumpf stationär
befestigt ist und am Drehzapfen drehbar befestigt ist, wobei der
Drehzapfen an der Motor- und Getriebebaugruppe stationär befestigt
ist und die Baugruppe am Propeller befestigt ist.
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Zumindest
eine Solarzellenanordnung kann mit der Mittelachse des Rumpfes ausgerichtet
werden und kann um jeweilige Höhen-
und Azimuth-Achsen der Anordnung kardanisch bewegt werden. Zumindest
eine Solarzellenanordnung kann elektrische Leistung beim Antriebssystem
während
des Flugbetriebes bei Tag vorsehen und die Vielzahl an Energiespeichereinheiten
kann elektrische Leistung beim Antriebssystem während des Flugbetriebes bei Nacht
vorsehen.
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Das
autonome Steuersystem der vorliegenden Erfindung, das Gesamtluft-Managementsystem und
das Antriebssystem können
eine Navigationssteuerung zwischen ausgewählten Wegpunkten vorsehen,
wobei das autonome Steuersystem einen GPS-Empfänger und einen Kompass aufweisen kann.
Daher können
das Gesamtluftmanagementsystem, das autonome Steuersystem und das
Antriebssystem angepasst sein, um die Bewegung des Luftschiffs um
sein Gravitationszentrum zu steuern.
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Der
Rumpf der vorliegenden Erfindung kann eine Außenfläche haben und eine Vielzahl
an Heckrippen kann in einer ersten Position angrenzend an die Außenfläche des
Rumpfes während
der Aufwärtsbewegung
auf die Flughöhe
vorgesehen sein und die Vielzahl an Heckrippen kann sich in eine zweite
Position nicht angrenzend an die Oberfläche des Rumpfes bewegen, wenn
der Rumpf aufgrund einer Verringerung des Atmosphärendrucks
aufgeblasen wird.
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Der
Hintergrund der vorliegenden Erfindung weist auf: einen Rumpf, der
einen eingeschlossenen Hohlraum definiert, ein Auftriebsgas und
zumindest eine Solarzellenbaugruppe mit Anordnung im Hohlraum, einen
vorderen Ballastspeicher, einen hinteren Ballastspeicher, ein Ballast-Management-Teilsystem, das
am Rumpf befestigt ist und das mit dem vorderen und hinteren Ballastspeicher
in Fluidverbindung steht, eine Gerätezelle, die am Rumpf befestigt
ist, wobei die Zelle eine Vielzahl an Energiespeichereinheiten und
ein autonomes Steuersystem hat, ein Antriebssystem, das am Rumpf
befestigt ist und das mit zumindest einer Solarzellenanordnung und
den Energiespeichereinheiten in elektrischer Verbindung steht, und
eine Vielzahl an Heckrippen, die am Rumpf befestigt sind. Das Ballastmanagement-Teilsystem
kann ferner Fluidleitungen zwischen dem vorderen und dem hinteren
Ballastspeicher, einem Ballastventil und einem Ballastauslass aufweisen.
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Dieses
Luftschiffantriebssystem des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung
kann ferner ein Kardangehäuse,
eine Motor- und Getriebebaugruppe, einen Motordrehzapfen und einen
Propeller aufweisen, wobei das Gehäuse am Rumpf stationär befestigt
ist und an einem Drehzapfen drehbar montiert ist, wobei der Drehzapfen
an einer Motor- und Getriebebaugruppe stationär befestigt ist und wobei die Baugruppe
am Propeller befestigt ist.
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Bei
diesem System kann zumindest eine Solarzellenanordnung mit einer
Mittelachse des Rumpfes ausgerichtet werden und kann die Anordnung
um jeweilige Höhen-
und Azimuthachsen der Anordnung kardanisch bewegt werden. Zumindest
eine Solarzellenanordnung kann dem Antriebssystem während des
Flugbetriebes bei Tage elektrische Leistung zuführen und die Vielzahl an Energiespeichereinheiten kann
beim Antriebssystem während
des Flugbetriebes bei Nacht elektrische Leistung vorsehen.
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Das
autonome Steuersystem, das Ballastmanagement-Teilsystem und das Antriebssystem bei diesem
System können
eine Navigationssteuerung zwischen ausgewählten Wegpunkten vorsehen,
wobei das autonome Steuersystem einen GPS-Empfänger und einen Kompass aufweisen
kann. Daher können
das Ballast-Management-Teilsystem, das autonome Steuersystem und
das Antriebssystem angepasst sein, um die Bewegung des Luftschiffes
um seine Nick- und seine Gierachse zu steuern.
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Der
Rumpf bei diesem System kann eine Außenfläche haben und eine Vielzahl
an Heckrippen kann angrenzend an die Außenfläche des Rumpfes während der
Aufwärtsbewegung
auf die Flughöhe angeordnet
sein, wobei sich die Vielzahl an Heckrippen in eine zweite Position
nicht angrenzend an die Oberfläche
des Rumpfes bewegen kann, wenn sich der Rumpf aufgrund einer Verringerung
des Atmosphärendrucks
aufbläst.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des autonomen
Luftschiffes der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein schematisches Blockschaltbild des Druckbeaufschlagungssystem
für die
Ballonets beim ersten Ausführungsbeispiel.
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3 ist
eine Seitenansicht eines Luftmanagement-Teilsystems für das vordere Ballonet.
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4 ist
eine Seitenansicht eines Luftmanagement-Teilsystems für das hintere Ballonet.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht des Antriebssystems für ein Luftschiff.
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6 ist
eine Seitenansicht der Gerätezellen-Baugruppe für das erste
Ausführungsbeispiel.
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Die 7A und 7B sind
perspektivische Ansichten von einem der intern montierten Solarzellenpaneele,
die elektrische Energie bzw. Leistung beim ersten Ausführungsbeispiel
vorsehen.
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8 ist
ein schematisches Blockschaltbild des Energieversorgungssystems
für das
erste Ausführungsbeispiel.
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9 ist
ein Blockschaltbild der Steuerungseinrichtung-Schnittstellen-Schaltung
zum Leiten der Operationen des autonomen Luftschiffs.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht eines Luftschiffs, die zahlreiche Bewegungsachse
darstellt.
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11 ist
eine Seitenansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels
des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine schematische Ansicht des Ballastmanagement-Teilsystems für ein zweites,
alternatives Ausführungsbeispiel
des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht der rechtekkigen Solarzellenanordnung-Baugruppe
für ein
zweites alternatives Ausführungsbeispiels
des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
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14 ist
ein schematisches Blockschaltbild des Leistungszuführung-Teilsystems
für ein
zweites alternatives Ausführungsbeispiel
des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Es
wird sich nun 1 zugewandt, in der eine Seitenansicht
des ersten Ausführungsbeispiels des
autonomen Stratosphären-Luftschiffs 10 gezeigt ist.
Der Rumpf 20 ist aus einem klaren oder relativ transparenten,
polymerbasiertem Film vorzugsweise mit einer Dicke von 0,5 mm, gefertigt.
Das Material wurde ausgewählt,
dass es Drücken
widerstehen kann, die sich aus Änderungen
bei den Auftriebsgastemperaturen, die in diesem enthalten sind,
er geben. Der Rumpf 20 ist als ein stromlinienförmiger Körper mit
einer halbkugelförmigen
Vorderseite und einer konischen Hinterseite geformt und die Gesamtgröße ist durch
die Masse der Nutzlast 390 bestimmt, während das Verhältnis von
Länge zu
Breite vorzugsweise 5:1 beträgt.
Im Ergebnis von Untersuchungen hat sich ergeben, dass eine Gestaltung,
die zum Befördern
von 18 Pfund (pound) von Nutzlast auf 70.000 Fuß (feet) in der Lage ist, ungefähr 125 Fuß lang ist und
25 Fuß im
Durchmesser hat.
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Am
konischen Abschnitt des Rumpfes 20 ist eine Vielzahl von
sich selbst aufstellenden Heckrippen 90, vorzugsweise in
der Anzahl von drei, befestigt. Die Rippen 90 sind vorzugsweise
aus dem gleichen Filmmaterial wie der Rumpf 20 gefertigt.
Die Rippen 90 werden durch einen sich selbst aufrichten Mechanismus
gestützt,
der sich aufstellt, wenn sich der Rumpf 20 während der
Aufwärtsbewegung
aufbläst.
Der Auftriebsmittelpunkt des Rumpfes 20 wird durch zwei
interne Ballonets, ein vorderes Ballonet 40 und ein hinteres
Ballonet 50 gesteuert. Jedes Ballonet kann unabhängig verwendet
werden, um den Ort des Mittelpunktes vom Auftrieb zu steuern, wobei folglich
die Bewegung vom Luftschiff 10 um die Nickachse 745 (siehe 10)
bewirkt wird. Alternativ dazu können
die Ballonets 40 und 50 zusammen verwendet werden,
um ein Aufwärtsbewegen
oder Abwärtsbewegen
des Luftschiffes 10 zu bewirken.
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Das
Luftschiff 10 umschließt
vollständig
eine Kammer einer inneren Gerätezelle 30,
in der Solarzellenanordnungen 340, ein vorderes und ein
hintere Luftmanagement-Teilsystem 60 und 70,
ein Steuersystem 390 und eine missionsspezifische Nutzlast untergebracht
sind. Während
der Rumpf 20 mit einem Auftriebsgas gefüllt ist, das Wasserstoff, Helium oder
Ammoniak aufweist, ist die Zelle 30 mit Luft gefüllt, die
aus der Atmosphäre
außerhalb
des Rumpfs 20 abgezogen wurde und die in der Zelle 30 zum Kühlen der
internen Komponenten umgeführt
wird. Die Zelle 30 kann ebenfalls unter Druck gesetzt werden
und funktioniert somit als ein zusätzlicher Auftriebs-Steuermechanismus
für das
Luftschiff 10. Zum Aufrechterhalten der Integrität bzw. Ganzheit
des Rumpfes 20 kann auf den Inhalt der Zelle 30 von
außen
bezüglich
des Luftschiffs 10 mittels eines Reißverschlusses, eines Zippverschluss-Plastikschließvorrichtung
oder einer anderen relativ luftdichten Schließvorrichtungen (nicht gezeigt)
zugegriffen werden.
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2 stellt
ein schematisches Blockschaltbild des Druckbeaufschlagungssystems
dar, das zum Steuern der Luftströmung
und zum Druckbeaufschlagen der Gerätezelle 30 und des
vorderen und hinteren Ballonets 40 und 50 verwendet
wird. Das vordere Ballonet 40 ist mit dem Ventil 160 für das vordere
Ballonet über
ein Füllrohr 162 für das vordere
Ballonet verbunden. Der Drucksensor 110 für das vordere
Ballonet wird verwendet, um das Druckdifferential zwischen dem vorderen
Ballonet 40 und dem Auftriebsgasdruck im Rumpf 20 zu überwachen.
Das Ventil 160 für
das vordere Ballonet ist ebenfalls mit der Atmosphäre innerhalb
der Gerätezelle 30 mittels
des Gerätezelleneinlasses 164 des
vorderen Ballonets verbunden. Das vordere Ballonet 40 kann
Luft an die Atmosphäre
außerhalb
vom Rumpf 20 mittels eines Atmosphärenauslasses 166 für das vordere
Ballonet ausgeben. Somit kann das vordere Ballonet 40 Luft von
der Atmosphäre,
die den Rumpf 20 umgibt, mittels eines Gerätezelleneinlasses 164 für das vordere Ballonet
aufnehmen oder kann Luft an die Atmosphäre, die den Rumpf 20 umgibt,
mittels des Atmosphärenauslasses 166 für das vordere
Ballonet ausgeben.
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In ähnlicher
Weise ist das hintere Ballonet 50 mit einem Ventil 210 für das hintere
Ballonet mittels eines Füllrohrs 212 für das hintere
Ballonet verbunden. Der Differentialdruck zwischen dem hinteren Ballonet 50 und
dem Auftriebsgas im Rumpf 20 wird durch einen Drucksensor 150 für das hintere
Ballonet gemessen. Das hintere Ballonet 50 arbeitet in ähnlicher
Weise wie das vordere Ballonet 40; d.h., dass das hintere
Ballonet 50 Luft aus der Atmosphäre, die den Rumpf 20 umgibt,
mittels des Gerätezelleneinlasses 214 des
hinteren Ballonets aufnehmen kann und Luft an die Atmosphäre, die
den Rumpf 120 umgibt, mittels des Atmosphärenauslasses 216 für das hintere
Ballonet ausgeben kann.
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Die
körperliche
Implementierung des Luftmanagement-Teilsystems vom Luftschiff 10 ist
in den 3 und 4 dargestellt. 3 stellt
eine Seitenansicht des vorderen Luftmanagement-Teilsystems 60 dar
und 4 stellt eine Seitenansicht des hinteren Luftmanagement-Teilsystems 70 dar.
Wird sich nun 3 zugewandt, so kann entnommen
werden, dass das vordere Lufmanagement-Teilsystem 60 ein Gehäuse für das Ventil 160 des
vorderen Ballonets, einen Drucksensor 110 für das vordere
Ballonet, einen Drucksensor 120 für die Gerätezelle, einen Rumpfdrucksensor 130 und
einen Kompressor-Motor 230 vorsieht. Das vordere Luftmanagment-Teilsystem 60 vereinigt
ebenfalls eine Luftöffnung 220, um
die Luftströmungssteuerung
weiter zu unterstützen.
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Während des
normalen Betriebes nimmt der Kompressarmotor 230 Luft aus
der den Rumpf 20 umgebenden Atmosphäre über eine Luftöffnung 220 auf
und nimmt dieser eine Druckbeaufschlagung des Gerätezelle 30 mittels
des Gerätezellen-Atmosphäreneinlasses 235 und
eines Rückschlagventils 240 vor,
was das Freisetzen der Druckluft aus der Gerätezelle 30 zurück in die
Atmosphäre
verhindert. Der Druck im Rumpf 20 wird durch den Rumpfdrucksensor 130 überwacht.
Um das vordere Ballonet 40 unter Druck zu setzen, um das
Luftschiff 10 nach unten zu neigen oder ein Abwärtsbewegen
des Luftschiffs 10 zu bewirken (unter der Annahme einer ähnlichen Maßnahme durch
das hintere Luftmanagement-Teilsystem 70), wird das Ventil 160 des
vorderen Ballonets betrieben, um unter Druck gesetzte Luft von der Gerätezelle 30 durch
den Gerätezelleneinlass 164 für das vordere
Ballonet zum vorderen Ballonet 40 mittels des Füllrohrs 162 für das vordere
Ballonet zu richten. Wenn es gewünscht
wird, dass das Luftschiff 10 nach oben geneigt wird oder
dieses sich nach oben bewegt (unter der Annahme einer ähnlichen Maßnahme,
die beim hinteren Luftmanagement-Teilsystem 70 ausgeführt wird,)
kann das Ventil 160 für das
vordere Ballonet betätigt
werden, um die Luft des vorderen Ballonets 40 mittels des
Füllrohrs 162 des vorderen
Ballonets und des Anschlusses für
den Atmophärenauslass 166 für das vordere
Ballonet in die Atmosphäre,
die den Rumpf 20 umgibt, mittels der Luftöffnung 220 auszulassen.
Der Betrieb der Luftöffnung 220 wird
durch eine Luftöffnung-Betätigungseinrichtung 250 gesteuert.
Wenn der Druck in der Gerätezelle 30 und
im vorderen Ballonet 40 für eine gegebene Flughöhe und Höhe wie gewünscht vorliegt, kann
das Ventil 160 für
das vordere Ballonet betätigt werden,
um das Füllrohr 162 für das vordere
Ballonet zu schließen
und das Entweichen von jeglicher Luft aus dem vorderen Ballonet 40 zu
verhindern. Als eine Sicherheitsmaßnahme wird der Rumpfdrucksensor 130 verwendet,
um den Auftriebsgasdruck, der im Rumpf 20 ausgeübt wird,
zu überwachen,
und kann dieser verwendet werden, um ein Auftriebsgas-Entlastungsventil 260 mittels
einer Auftriebsgas-Freigabe-Betätigungseinrichtung 270 zu
aktivieren, um Auftriebsgas an die Atmosphäre zu entladen und jegliche Überdrucksituation
im Rumpf 20 zu entlasten.
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Es
wird sich nun 4 zugewandt, wobei entnommen
werden kann, dass das hintere Luftmanagement-Teilsystem 70 mit
dem vorderen Luftmanagement-Teilsystem 60 mit Ausnahme
der Sensoren, die in diesem untergebracht sind, des Kompressormotors 230 und
seines zugeordneten Rückschlagventils 240 identisch
ist. Ein Rtmosphärendrucksensor 140 ist
zusammen mit dem Drucksensor 150 für das hintere Ballonet in der
Umhüllung
vom hinteren Luftmanagement-Teilsystem 70 untergebracht.
Das Aufblasen und das Ablassen in Bezug auf das hintere Ballonet 50 tritt
in ähnlicher
Weise wie beim vorderen Ballonet 40 mit der Ausnahme auf, dass
Luft für
das hintere Ballonet 50 direkt aus der Gerätezelle 30 genommen
wird und vom Kompressormotor 230 zugeführt wird, der sich im vorderen Luftmanagement-Teilsystem 60 befindet.
Das heißt, dass
das hintere Ballonet 50 durch den Betrieb des Ventils 210 für das hintere
Ballonet aufgeblasen wird, um einen Pfad zwischen dem Gerätzelleneinlass 214 des
hinteren Ballonets und dem Füllrohr 212 des
hinteren Ballonets zu schaffen. Das hintere Ballonet 50 wird
durch den Betrieb des Ventils 210 für das hintere Ballonet abgelassen,
um einen Pfad zwischen dem Füllrohr 212 für das hintere
Ballonet und dem Atmosphärenauslass 216 für das hintere
Ballonet zu schaffen. Die Luftöffnung 220 am
hinteren Luftmanagement-Teilsystem 70 kann
in gleicher Weise betrieben werden, um die Ausgabe von Luft aus
dem hinteren Ballonet 50 zu unterstützen.
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Das
hintere Luftmanagement-Teilsystem 70 hat ebenfalls die
Fähigkeit
zur Druckverringerung beim Rumpf 20, indem ein Auftriebsgas-Entlastungsventil 260 mittels
einer Auftriebsgasfreigabeventil-Betätigungseinrichtung 270 aktiviert
wird. Durch das Betreiben des Ventils 210 für das hintere
Ballonet, um einen Pfad zwischen dem Gerätezelleneinlass 24 und
dem Gerätezellen-Auslassventil 200 zu schaffen,
ist es ebenfalls möglich,
die Luft aus der Gerätezelle 30 in
die Atmosphäre,
die den Rumpf 20 umgibt, abzugeben.
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Das
Luftschiff 10 wird durch ein Antriebssystem 80 angetrieben,
das einen Propeller 300 aufweist, der durch eine Motor-
und Getriebebaugruppe 330 angetrieben wird, wie es in 5 gezeigt
ist. Eine linke und rechte Richtungssteuerung des Luftschiffes 10 wird
vorgesehen, indem die Motor- und Getriebebaugruppe 330 um
die Achse des Motordrehzapfens 320, der im Kardangehäuse 310 montiert
ist, bewegt wird. Der Propeller 300 ist vorzugsweise ein
Typ mit drei Flügeln
und fester Neigung, jedoch kann ein Propeller 300 mit variabler
Neigung verwendet werden, ohne die Wesensart der Erfindung zu beeinträchtigen.
Der Fachmann erkennt schnell die Vorteile und Nachteile bei der
Auswahl zwischen diesen zwei Propellertypen.
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5 stellt
ebenfalls die Heckrippen 90 des Luftschiffes 10 dar,
die verwendet werden, um die Stabilität während des Fluges um die Nickachse 745, die
Gierachse 725 und die Rumpfmittelachse (oder Rollachse) 420 des
Luftschiffes 10 zu verbessern (siehe 10).
Es sind vorzugsweise drei Heckrippen 90 vorgesehen, wobei
jede einen Schwenkmast 305 aufweist, der mit einem Rippendrehzapfen 307 verbunden
ist. Diese Art von Konstruktion ermöglicht, dass sich jede Heckrippe 90 entlang
der Oberfläche des
Rumpfes 20 vom Luftschiff 10 während des anfänglichen
Startens legt, und dass sich zu Beginn des Ausdehnens vom Rumpf 20 aufgrund
einer Verringerung des diesen umgebenden Atmosphärendrucks die Heckrippen 90 in
ihre ausgedehnte Position vom Rumpf 20 weg (wie es in 5 gezeigt
ist,) aufgrund der Rotation des Mastes 305 aufstellen.
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6 stellt
die Gerätezelle 30 und
ihren Inhalt dar, der intern kardanisch aufgehängte Solarzellenanordnungen 340,
Energiespeichereinheiten 350, ein Notfallsystem 360,
ein autonomes Steuersystem 390, ein Kommunika tionssystem 380 und
die emissionsspezifische Nutzlast 370 aufweist. Gemäß Vorbeschreibung
können
das vordere und hintere Luftmanagement-Teilsystem 60 und 70 zum
Druckbeaufschlagen und Ablassen der Gerätezelle 30 verwendet
werden. Außerdem
kann das konstante Zuführen von
Luft mittels des vorderen Luftmanagement-Teilsystems 60 in
die Gerätezelle 30 verwendet
werden, um den Inhalt der Gerätezelle 30,
insbesondere der Solarzellenanordnungen 340 zu kühlen. Das
Druckbeaufschlagen der Gerätezelle 30 mit
Luft aus der den Rumpf 20 umgebender Atmosphäre dient
ebenfalls als ein zusätzlicher
Auftriebs-Steuermechanismus
für das
Luftschiff 10.
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Die
gesamte Energie, die zum Betreiben des Antriebssystems 80 verwendet
wird, wird durch die Solarzellenanordnung 340 vorgesehen.
Während des
Tages kann Solarenergie direkt an das Antriebssystem 80 angelegt
werden, während
Energie in der Nacht durch Energiespeichereinheiten 350 zugeführt wird,
vorzugsweise Batterien mit kräftigem
bzw. tiefem Zyklus, die im Stand der Technik bekannt sind und die
durch die Solarzellenanordnungen 340 während des Tages geladen werden.
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Das
Solarenergie-Sammelsystem besteht aus einer Vielzahl von Anordnungen 340,
die in der Gerätezelle 30 installiert
sind, die sich im Rumpf 20 befindet. Wie es in den 7a und 7 gezeigt ist, sind die Anordnungen 340 an
Kardanaufhängen
montiert, die als Azimutrotationsdrehzapfen 400 und Höhenrotationsdrehzapfen 410 bezeichnet.
sind. Diese zwei Rotationsachsen erlauben kombiniert mit der Ausrichtung
der Anordnungen 340 entlang der Rumpf-Mittelachse 420 ein Richten
der Paneele der Solarzellenanordnung 340, um die maximale
Sammeleffizienz zu erhalten, wobei dieses unabhängig von der Position des Luftschiffs 10 bezüglich der Sonne
ist. Intern montierte Anordnungen 340 gestatten den Betrieb
des Luftschiffs 10 ohne den zugeordneten aerodynamischen
Strömungswiderstand
von extern montierten Solarpaneelen. Außerdem ermöglicht die Konstruktion des
Luftschiffs 10, dass Kühlluft um
die Anordnungen 340 und andere Inhalte der Gerätezelle 340 geleitet
werden, ohne die Integrität
des Hauptrumpfes 20, der ebenfalls als Hauptauftriebsgaskammer
dient, zu stören.
Die Gerätezelle 30 ist mit
einer beliebigen einiger Schließvorrichtungen,
die im Stand der Technik bekannt sind, versehen, wie z.B. Reißverschlüssen oder
Plastik-Zippverschluss-Vorrichtungen
(nicht gezeigt), die einen direkten Zugang zur Gerätezelle 30 zur
Installationsüberprüfung der
Ausrüstung
zu jedem Zeitpunkt vor dem Start ohne Beeinflussung der Integrität des Rumpfes 20 bieten.
Die Transparenz oder Lichtdurchlässigkeit
des Rumpfes 20 kann geändert
werden, um die Menge an Solarenergie, die durch die Anordnungen 340 gesammelt
wird, zu beeinflussen.
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Es
wird sich nun 8 zugewandt, in der Komponenten
für das
Energieversorgungs- und -speichersystem für das Luftschiff 10 gezeigt
sind. Jede Solarzellenanordnung 340 wird um ihren Azimuthrotations-Drehzapfen 400 mittels
eines Azimuthmotors 450 bewegt, der durch eine Azimuth-Steuereinrichtung 440 geleitet
und durch eine Azimuthenergiequelle 430 mit Energie versorgt
wird, die von den Energiespeichereinheiten 350, die über die
Gerätezelle 30 verteilt
sind, abgeleitet wird. In ähnlicher
Weise werden die Anordnungen 340 um ihre Höhenrotations-Drehzapfen 410 durch
einen Höhenmotor 510 bewegt,
der durch eine Höhensteuereinrichtung 500 geleitet
und durch eine Höhenenergiequelle 490 gespeist
wird, die ebenfalls aus den Energiespeichereinheiten 350 abgeleitet
ist.
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Die
Aktivität
der Azimuth-Steuereinrichtung 440 wird durch Azimuthmessungen
bewirkt, die aus dem Azimuth-Rückführsignal 480 abgeleitet
wurden, das durch den Azi muthwandler 460 vorgesehen wird. In ähnlicher
Weise ist die Aktivität
der Höhensteuereinrichtung 500 durch
das Höhenrückführsignal 540 beeinflusst,
das durch den Höhenwandler 520 vorgesehen
wird. Sowohl die Azimuth- als auch die Höhensteuereinrichtung 440 und 500 sind
programmiert, um als Proportional-, Integral- oder differenzierende Steuerung,
oder eine bestimmte Kombination dieser Verfahren zu arbeiten, wie
es im Stand der Technik bekannt ist. Andere rückführungsbasierte Steuersysteme
sind ebenfalls durch die vorliegende Erfindung vorweggenommen.
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Während des
Tages sind die Solarzellenanordnungen 340 verbunden, um
eine relativ hohe Motorantriebsspannung am Tag-Antriebs-Betriebsbus 630 vorzusehen,
vorzugsweise ungefähr 136 Volt Gleichstrom.
Der Solarzellenanordnung-Strom 610 und
die Solarzellenanordnung-Spannung 620 werden durch das
autonome Steuersystem 390 (nicht gezeigt) überwacht.
Ein Abwärtsumformer
bzw. Abwärtswandler 645 wird
betrieben, um eine Batterielade-/überwachungseinrichtung 650 mit
ausreichend Strom zu versehen, um die Energiespeichereinheiten 350 während des
Betriebes am Tag zu laden. Energiespeichereinheiten 350,
die aus Lithiumionenbatterie oder anderen aus dem Stand der Technik
bekannten Speicherquellen bestehen können, werden bezüglich einigen
Parametern, einschließlich
der Batteriespannung 670, des Batteriestroms 690 und
der Batterietemperatur 700 überwacht. wenn nötig können Batterieheizeinrichtungen 660 aktiviert
werden, um die Energiespeichereinheiten auf eine vorbestimmte Lade-
oder Betriebstemperatur für
einen maximalen Wirkungsgrad zu bringen. Die überwachten Parameter werden
dem autonomen Steuersystem 390 und dem Kommunikationssystem 380 mittels
der Steuerungskommunikations-Schnittstelle 680 mitgeteilt.
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Während des
Nachtbetriebes wird das Antriebssystem 80 durch einen Nachtantrieb-Betriebsbus 640 mit
Energie gespeist. Die Nachtantriebsspannung 550, der Nachtantriebsstrom 560 und
die Umformertemperatur 570 werden ebenfalls überwacht.
Die sich ergebenden Daten werden ebenfalls dem autonomen Steuersystem 390 und
dem Kommunikationssystem 390 übermittelt.
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Die
Spannung, die aus dem Abwärtswandler 645 abgeleitet
wurde und die zur Energieversorgung des Nachtantrieb-Betriebsbusses 640 und
der Batterielade/überwachungseinrichtung 650 verwendet wird,
kann ferner mittels Abwärtswandlern 720 verringert
werden und zur Energiezuführung
bezüglich zahlreichen
Anforderungen von Nutzlasten 370 verwendet werden. Ein
Standardenergiebus in der Luftfahrtelektronik, genauer gesagt ein
Schiffbetriebsbus 710, sieht eine standardisierte Gleichspannung
beim Inhalt der Gerätezelle 30 vor.
Der Schiffbetriebsbus 710 wird vorzugsweise mit einer Spannung
von 28 Volt Gleichspannung betrieben.
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Ein
Anordnungstemperatur-Wandler 600, der durch ein Wandlerenergiemodul 590 mit
Energie versorgt wird, wird verwendet, um die Temperatur der Solarzellenanordnungen
mittels eines Anordnungstemperatur-Umformers 580 zu bestimmen.
Wenn die Anordnungen 340 eine gewisse vorbestimmte Temperatur überschreiten,
dann können
das vordere und hintere Luftmanagement-Teilsystem 60 und 70 zum Kühlen der
Anordnungen 340 auf eine gewünschte Temperatur aktiviert
werden. Die Anordnungstemperatur-Überwachungsaktivität sowie
die Kühlaktivität werden
durch das autonome Steuersystem 390 geleitet.
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9 stellt
ein Blockschaltbild des autonomen Steuersystems 390 dar.
Es erfolgt eine bevorzugte Implementierung mit einem Zentralprozessor 800,
der mit einer Vielzahl von seriellen Kanälen 810 und einem
Analog-Digital-Wandler 815 kommuniziert.
Jedoch können
spezialisierte und komplexere Schnittstellen, als diese durch das
Energiespeichersystem vom Luftschiff 10, das vordere und
hintere Luftmanagement-Teilsystem 60 und 70 und
das Antriebssystem 80 verwendet werden können, als
eine Solarzellen- und Batterie-Schnittstelle 860, eine Schnittstelle 870 für das vordere
Luftmanagement-Teilsystem, eine Schnittstelle 880 für das hintere
Luftmanagement-Teilsystem
und eine Antriebsschnittstelle 890 speziell aufgebaut und
implementiert werden. Eine Nutzlastschnittstelle 900 wird
normalerweise speziell aufgebaut, um eine Schnittstelle zu einer
beliebigen missionsspezifischen Nutzlast 370, die vom Luftschiff 10 getragen
wird, zu bilden. Ein Empfänger 820 für einen
Satellit nach dem Global Positioning System (GPS), ein elektronischer Kompass 830,
ein Befehl/Steuer-Empfänger 840 und ein
Telemetrie-Sender 850 werden durch das Luftschiff ebenfalls
verwendet, um die autonome Steuerfunktion abzuschließen. Zu
den Fähigkeiten
des Luftschiffs 10 gehört
die Übertragung
von erlangten Daten von zahlreichen Wandlern und Sensoren an Bord vom
Luftschiff 10 und der Nutzlast 370. Der Befehl/Steuer-Empfänger 840 ermöglicht die
Aufnahme von Betriebs- und Notfallbefehlen von der Bodensteuerstation
(nicht gezeigt), die den Fortschritt des Luftschiffs 10 auf
einer beliebigen spezifischen Mission überwacht. Der GPS-Emfänger 820 ermöglicht die
exakte Positions-Überwachung
und -Steuerung des Luftschiffs 10, während der elektronische Kompass 830 die
Fähigkeit
der Koppelnavigation während
der Perioden vorsieht, in denen der GPS-Empfänger 820 zu
einer geeigneten Funktion nicht in der Lage ist. Das autonome Steuersystem 390 sieht kombiniert
mit dem Betrieb der Luftmanagement-Teilsysteme 60 und 70 und
des Antriebssystems 80 ein Luftschiff vor, das zum autonomen
Betrieb zwischen vorgewählten
oder verfügten
Wegpunkten in der Lage ist. Die intern kardanisch aufge hängten Solarzellenanordnungen 340 können für eine maximale Sammeleffizienz
auf der Grundlage eines geographischen Standortes, des Datums und
der Zeit ausgerichtet werden. Die Befehlssteuerung und die Datenaufnahme
können
interaktiv auf die Nutzlast 390 aufgebracht werden.
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Das
autonome Steuersystem kann programmiert werden, um unterschiedliche
Geschwindigkeiten für
den Betrieb bei Tag und bei Nacht auszuwählen, damit der mittlere Standort
des Luftschiffs 10 über
einem spezifischen Punkt auf der Erdoberfläche aufrechterhalten wird.
Genauer gesagt optimiert der Geschwindigkeitsplan, der für das Luftschiff 10 ausgewählt wurde,
die Verwendung der Solarzellenanordnungen 340 und der Energiespeichereinheiten 350,
um die mittlere Geschwindigkeit des Luftschiffs 10 zu maximieren.
Wenn die vorherrschenden Winde kleiner als die maximale Geschwindigkeit
bei der Gestaltung des Luftschiffs 10 sind, ist eine überschüssige Leistung
verfügbar,
um das Luftschiff 10 bezüglich der Nickachse 745,
der Gierachse 725 und der Rumpfmittelachse 420 erneut
zu positionieren, wie es in 10 dargestellt
ist.
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Das
Antriebssystem 80 treibt das Luftschiff mit einer Vorwärtsbewegung 770 so
lange an, wie die elektrische Leistung, die für die Motor- und Getriebebaugruppe 330 zur
Verfügung
steht, ausreichend groß ist,
um die vorherrschenden Winde zu überwinden,
wobei eine kleine Leistung (oder keine Leistung) ebenfalls auf Motor
und Getriebe 330 aufgebracht werden kann, so dass sich
das Luftschiff 10 tatsächlich
mit einer Bewegung 780 nach hinten bewegt. Durch die Bewegung
der Motor- und Getriebebaugruppe 330 um die Achse des Motorzapfens 320, kann
die Antriebslinie für
den Propeller 300 bewegt werden, um die Bewegung 750 nach
links oder die Bewegung 760 nach rechts des Luftschiffs 10 zu
bewirken. Gemäß Vorbeschreibung
könne das
vordere und hintere Ballonet 40 und 50 ebenfalls
unabhängig unter
Druck gesetzt werden, um eine Abwärtsbewegung 740 (wenn
beide unter Druck gesetzt werden) oder eine Aufwärtsbewegung 730 (wenn
beide abgelassen werden) zu bewirken. Die komplexe Kombination des
autonomen Steuersystems 390 kombiniert mit den Wirkungen
des vorderen und hinteren Luftmanagement-Teilsystems 60 und 70 und
der Motordrehzapfen 320 des Antriebssystems 80 sehen
ein Luftschiff 10 vor, das um den Gravitationsmittelpunkt 790 des
Luftschiffs vollständig
steuerbar ist.
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Das
autonome stratosphärische
Luftschiff 10 kann in vielen unterschiedlichen Anwendungen
verwendet werden, einschließlich
des Vorsehen einer Luftschiff-Plattform für: große terrestrische Sichtgebiet
mit einer langen Flugdauer (z.B. Forschung außerhalb der Atomsphäre), Kommunikations-Weiterleitungs-Operationen
(z.B. Radiofrequenz- bzw. Hochfrequenz-Transponder für Sprache,
Daten, Video, usw., Speichern und Versenden von Radiofrequenz- bzw. Hochfrequenzdaten,
Signalabhören oder
Direktrundfunk), eine terrestrische Überwachungsplattform mit Kamera
und Sensoren, die Überwachung
der Atmosphäre
oder des Weltraums und eine Plattform für die wissenschaftliche Forschung
und die Erforschung der Atmosphäre.
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Das
autonome stratosphärische
Luftschiff 10 ist als eine Struktur mit neutralem Auftrieb
gestaltet, die speziell für
den Betrieb in der unteren Stratosphäre (d.h. 60.000–100.000
Fuß) gestaltet
ist; dieses verlangt keinen aerodynamischen Auftrieb und der Rumpf 20 kann
mit einem beliebigen Gas gefüllt
werden, das leichter als Luft ist, einschließlich Wasserstoff, Helium oder
Ammoniak. Die Verwendung eines dünnen
polymeren Rumpfmaterials gestattet eine kostengünstige Konstruktion mit geringem
Gewicht vom Rumpf 20, die zur Aufnahme eines Auftriebgasdrucks
in der Lage ist, während
die Gerätezelle 30 von
der umgebenden Atmosphäre
isoliert wird. Das Luftschiff 10 kann in starkem Maße ähnlich eines
wisschenschaftlichen Überdruckballons
gestartet werden und dieses erlangt Höhe in starkem Maße ähnlich wie
diese; weder Steuerung noch Antrieb sind erforderlich, um einen
solchen Start zu bewirken. Das System zum Sammeln und Speichen von
regenerativer elektrischer Solarenergie sieht einen Antrieb während des
Tages und der Nacht und einen kontinuierlichen Betrieb der Nutzlast 370 unter
Energiezufuhr vor. Die intern kardanisch aufgehängten Solarzellen-Anordnungen 340 können für eine optimale Sammeleffizienz
positioniert werden, während
keine Wirkung auf das aerodynamische Profil des Luftschiffs 10 besteht.
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Als
ein Weg für
eine deutliche Reduzierung der Kosten für das Vorsehen vom autonomen
stratosphärischen
Luftschiff 10 wird ein System entsprechend dem Hintergrund
der Erfindung, wie es in 11 gezeigt
ist, durch die vorliegende Erfindung geschaffen. Während die
Größe und die
Materialien für
die Konstruktion des Rumpfes 20 mit dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
identisch sind, befindet sich in diesem Fall die Gerätezelle 30' am Äußeren des
Rumpfes 20 und ist diese vom Inneren des Rumpfes 20 durch
Nutzlastaufhängeleinen 905 aufgehangen.
Während
eine einzige rechteckige Anordnungs-Baugruppe 910 im Rumpf
gehalten wird, um die Betriebsenergie für das Luftschiff 10 am Tag
vorzusehen, werden das vordere und hintere Ballonet 40 und 50 zusammen
mit dem vorderen und hinteren Luftmanagement-Teilsystem 70 nicht
länger verwendet.
Jedoch wird das Antriebssystem 80 zusammen mit dem sich
selbst aufrichtenden Heckrippen 90 beibehalten.
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Es
wird sich nun 12 zugewandt, der das Fluidballastsystem 930 entnommen
werden kann. Dieses vereinfachte Ballastsystem ermöglicht noch, während dieses
nicht die Fähigkeit
des vorherigen Ausführungsbeispiels
bezüglich
der Höhensteuerung vorsieht,
das Einstellen der Höhe
um die Nickachse 745 sowie in die Richtung der Aufwärtsbewegung 730.
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Das
Fluidballastsystem 930 weist einen vorderen Ballastspeicher 931,
der mit dem vorderen Fluidballast 932 gefüllt ist
und der mittels Fluidleitungen 936 mit einem hinteren Ballastspeicher 933 verbunden
ist, der mit hinterem Fluidballast 934 gefüllt ist, auf.
Der vordere und der hintere Fluidballast 932 und 934 werden
durch bidirektionale Pumpen 940 und Fluidleitungen 936 vor-
und zurückbewegt,
wann immer ein Ballastventil 938 offen ist, um eine Fluidkommunikation
zwischen dem vorderen Ballastspeicher 931 und dem hinteren
Ballastspeicher 933 vorzusehen. Um das Luftschiff 10 in
Richtung der Aufwärtsbewegung 730 zu
bewegen, kann das Ballastventil 938 geöffnet werden, um eine Fluidkommunikation zwischen
dem vorderen Ballastspeicher 931 und dem Ballastauslass 942 oder
dem hinteren Ballastspeicher 933 und dem Ballastauslass 942 vorzusehen.
Während
eine begrenzte Menge an Richtungssteuerung in einer Richtung der
Abwärtsbewegung 740 möglich ist,
kann diese nur auf Kosten des Ablassens von Helium aus dem Rumpf 20 mittels
eines Heliumfreigabeventils 928 erreicht werden. Extra-Helium
kann in einem Behälter
in der Gerätezelle 30 getragen
werden, doch ist ein solcher Betrieb aufgrund der Begrenzungen beim
Nutzlastgewicht gewöhnlich nicht
praktikabel.
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13 zeigt
Details der rechteckigen Anordnungsbaugruppe 910, die eine
rechteckige Solarzellenanordnung aufweist, die zwischen einem Z-Achsen-Drehteil 913 und
einem Z-Achsen-Antriebsarm 915 mittels Anordnungsaufhängungsseilen 914 aufgehangen
ist. Die rechteckige Solarzellenanordnung 912 wird an zwei
Ecken zwischen dem Y-Achsen-Antrieb 925 und
dem Y-Achsen-Lager 926 gehalten, um sich um die Höhenrotationsachse 922 zu
drehen. In ähnlicher
Weise kann ein Drehen der rechteckigen Solarzel lenanordnung 912 um
die Azimuth-Rotationsachse 924 durch das Antreiben des
Z-Achsen-Antriebsarms 915 mit dem Z-Achsen-Antrieb 916 erfolgen.
Die vertikale Bewegung der rechteckigen Solarzellenanordnung 912 aufgrund
des Biegens vom Rumpf 20 wird durch den Verbindungsarm 918 aufgenommen,
der dem Z-Achsen-Antrieb 916 und der Durchführung und
der Halterung 920 gestattet, sich frei zu bewegen. Durch
das Vorsehen der Bewegung in sowohl der Höhen-Rotationsachse 920 als auch
der Azimuth-Rotationsachse 924 kann die rechteckige Solarzellen-Anordnung 912 an
einem beliebigen Standort positioniert werden, der für das Aufnehmen
der maximalen Menge an Solarenergie zum Umwandeln in Elektrizität am effektivsten
ist. Das gezeigte Aufhängungssystem
gestattet eine Konstruktion der rechteckigen Anordnungsbaugruppe 910,
die leichter und weniger kostspielig als die für die Solarzellenanordnung 340 ist,
die in den 7A und 7B dargestellt
ist. In der Tat kann die rechteckige Solarzellenanordnung 912 sogar
auf eine aufblasbare Struktur angewendet werden, die auf der Flughöhe starr
wird und am Boden flexibel ist.
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14 stellt
das Leistungsverteilungs-Teilsystem 950 dar, das in der
externen Gerätezelle 30' enthalten ist,
die durch das alternative Ausführungsbeispiel
des Luftschiffs 10 verwendet wird. In diesem Fall sieht
die rechteckige Solarzellenanordnung 912 eine Leistung
bzw. Energie bei der Motorsteuereinrichtung 954 mittels
eines Hochspannungsbusses 956 vor. Eine alternative Quelle
für Leistung
auf diesem Bus 956 sind Batteriepackungen 964.
Die rechteckige Solarzellenanordnung 912 sieht ebenfalls Leistung
bei einem 18-VDC-Wandler 958 vor, der wiederum eine Ladeeinrichtung 962 für die Batteriepackungen 964 mit
Energie versorgt, und sieht eine Leistung bzw. Energie bei der Systemelektronik 970 mittels
eines Niedervoltbusses 960 vor. Die Systemelektronik 970 in
diesem Fall kann ähnlich
der in 9 gezeigten Anordnung oder identisch mit dieser
sein, ohne die Schnittstellen 870 und 880 für das vordere und
hintere Luftmanagement-Teilsystem.
Statt dessen muss eine einzige Schnittstelle zum Fluidballastsystem 930 implementiert
werden, um die bidirektionalen Pumpen 940 und das Ballastventil 938 zu
steuern.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einem begrenzten
Sinne konstruiert aufzufassen. Zahlreiche Modifikationen der offenbarten
Ausführungsbeispiele sowie
alternative Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden für
den Fachmann unter Bezugnahme auf die Offenbarung hier deutlich.
Es wird daher beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche solche Modifikationen
abdecken, die in den Bereich der Erfindung fallen.