DE69919905T2

DE69919905T2 - Autonomes stratosphärenluftschiff

Info

Publication number: DE69919905T2
Application number: DE69919905T
Authority: DE
Inventors: Dean William PERRY; H. Thomas JAECKLE; E. Lawrence EPLEY; B. Allan BLACK
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: ATE275065T1; US20020134884A1; US6607163B2; DE69919905D1; EP1156960B1; CA2353947A1; EP1156960A4; EP1156960A1; JP2002531327A; WO2000034120A1; US6354535B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
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.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des autonomen Luftschiffes der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Blockschaltbild des Druckbeaufschlagungssystem für die Ballonets beim ersten Ausführungsbeispiel.
3 ist eine Seitenansicht eines Luftmanagement-Teilsystems für das vordere Ballonet.
4 ist eine Seitenansicht eines Luftmanagement-Teilsystems für das hintere Ballonet.
5 ist eine perspektivische Ansicht des Antriebssystems für ein Luftschiff.
6 ist eine Seitenansicht der Gerätezellen-Baugruppe für das erste Ausführungsbeispiel.
Die 7A und 7B sind perspektivische Ansichten von einem der intern montierten Solarzellenpaneele, die elektrische Energie bzw. Leistung beim ersten Ausführungsbeispiel vorsehen.
8 ist ein schematisches Blockschaltbild des Energieversorgungssystems für das erste Ausführungsbeispiel.
9 ist ein Blockschaltbild der Steuerungseinrichtung-Schnittstellen-Schaltung zum Leiten der Operationen des autonomen Luftschiffs.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines Luftschiffs, die zahlreiche Bewegungsachse darstellt.
11 ist eine Seitenansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Ansicht des Ballastmanagement-Teilsystems für ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine perspektivische Ansicht der rechtekkigen Solarzellenanordnung-Baugruppe für ein zweites alternatives Ausführungsbeispiels des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein schematisches Blockschaltbild des Leistungszuführung-Teilsystems für ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel des autonomen Luftschiffs der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Ein autonomes stratosphärisches Luftschiff (10), das aufweist: einen Rumpf (20), der einen eingeschlossenen Hohlraum definiert, ein Auftriebsgas im Rumpf (20), ein vorderes Ballonet (40), ein hinteres Ballonet (50) und eine Gerätezelle (30) mit Anordnung im Hohlraum, wobei die Zelle (30) eine eingeschlossene Kammer definiert, und ein Gesamtluftmanagement-Teilsystem (60, 70) zum Steuern von Luftströmung und Druck im Luftschiff, zumindest eine Solarzellenanordnung (340), eine Vielzahl von Energiespeichereinheiten (350) und ein autonomes Steuersystem (390) mit Anordnung in der Zelle, wobei die Kammer mit dem vorderen und hinteren Ballonet (40, 50) in Fluidverbindung steht, ein Antriebssystem (80), das am Rumpf befestigt ist und mit zumindest einer Solarzellenanordnung (340) und den Energiespeichereinheiten (350) in elektrischer Verbindung steht, und wobei das autonome Steuersystem (390) eine Steuerung der Luftschiffoperationen vorsieht.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das Gesamtluftmanagement-Teilsystem (60, 70) ferner ein vorderes Luftmanagement-Teilsystem (60) mit einem Kompressor und ein hinteres Luftmanagement-Teilsystem (70) aufweist, wobei das vordere Luftmanagement-Teilsystem (60) mit dem vorderen Ballonet (40) und der Zelle (30) in Fluidverbindung steht und das hintere Luftmanagement-Teilsystem (70) mit dem hinteren Ballonet (50) und der Zelle (30) in Fluidverbindung steht.
Das Luftschiff von Anspruch 2, wobei das vordere Luftmanagement-Teilsystem (60) ferner einen Drucksensor (110) für das vordere Ballonet aufweist und das hintere Luftma nagement-Teilsystem (70) ferner einen Drucksensor (150) für das hintere Ballonet aufweist.
Das Luftschiff von Anspruch 2, wobei das vordere und das hintere Luftmanagement-Teilsystem (60, 70) jeweils ein Auftriebsgas-Freigabeventil (260) aufweist, wobei die Ventile mit dem Rumpf (20) in Fluidverbindung stehen.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das Antriebssystem (90) ferner ein Kardangehäuse (310), eine Motor- und Getriebebaugruppe (330), einen Motordrehzapfen (320) und einen Propeller (300) aufweist, wobei das Gehäuse (310) am Rumpf (20) stationär befestigt ist und am Drehzapfen (320) drehbar montiert ist, wobei der Drehzapfen (320) an der Motor- und Getriebe-Baugruppe (330) stationär befestigt ist, wobei die Baugruppe (330) am Propeller (300) befestigt ist.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei die zumindest eine Solarzellenanordnung (340) mit der Mittelachse des Rumpfes (20) ausgerichtet ist und um jeweilige Höhen- und Azimuth-Achsen der Anordnung kardanisch beweglich ist.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei die zumindest eine Solarzellenanordnung (340) elektrische Leistung beim Antriebssystem während Flugoperationen bei Tag und die Vielzahl an Energiespeichereinheiten (350) elektrische Leistung am Antriebssystem während Flugoperationen bei Nacht vorsehen.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das autonome Steuersystem (390), das Gesamtluftmanagement-Teilsystem (60, 70) und das Antriebssystem (80) eine Navigationssteuerung zwischen ausgewählten Wegpunkten vorsehen.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das autonome Steuersystem (390) einen GPS-Empfänger aufweist.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das autonome Steuersystem (390) einen Kompass aufweist.
Das Luftschiff von Anspruch 1, wobei das Gesamtluftmanagement-Teilsystem (60, 70), das autonome Steuersystem (390) und das Antriebssystem (80) angepasst sind, um die Bewegung des Luftschiffs um seinen Gravitationsmittelpunkt zu steuern.
Das Luftschiff von Anspruch 1, das zusätzlich eine Vielzahl an Heckrippen (90) aufweist, wobei die Rippen am Rumpf befestigt sind, wobei der Rumpf (20) eine Außenfläche hat und die Vielzahl an Heckrippen (90) in einer ersten Position, die an die Außenfläche des Rumpfs (20) angrenzt, während der Aufwärtsbewegung auf die Flughöhe angeordnet ist, und wobei sich die Vielzahl an Heckrippen (90) in eine zweite Position, die nicht an die Fläche des Rumpfs (20) angrenzt, bewegt, wenn sich der Rumpf aufgrund einer Verringerung beim atmosphärischen Druck aufbläst.