气球轨道控制装置制造方法及图纸

一种用于控制比空气轻的飞行器例如气球的轨道的装置。一个升力产生机构（例如端部翼板）悬挂在远低于气球的系绳端部，有利于其在不同高度上随风的自然变化。上述的翼板可产生角度范围宽的水平升力，该升力通过系绳传递给气球。有了这个升力后，便可根据气球和翼板的相对尺寸改变气球的轨道。控制上述系统只需要较少量动力（可能用方向舵）。由于风的能量可产生很大的力，所以风的能量可做很多的功。气球可以避免事故、到达预定目标并选择方便的着陆区和带来其他的工作上的好处。因此极少有由于不能控制轨道而必须提早终止平行的，而且由于可在较宽的条件范围内达到沿平面的飞行路线，故可较容易地得到升空的许可。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总地涉及气球的轨道控制，更具体地说，涉及一种远离气球的用于提供控制轨道所需的力的控制气球的装置。迄今，用于控制自由气球(例如携带探测大气的科学仪器的气球)的轨道的装置还很少。由推进器驱动的飞艇可以例如通过调节推进器的速度和俯仰角来控制其轨道。但是，上述飞艇与自由气球相比，其可达到的高度和净装载量都是十分有限的。携带科学仪器的自由气球一般可在所需高度上于盛行风中自由地漂移，在许多情况下，必须预测到风会按计划将气球装置带入所需的区域或可避开某个禁区时，才可让上述这种气球升空。这种气球的飞行常常必须提早结束，以避免它飞出特定的地区，保证所载物品降落到合适的着陆点，或者避免对居民稠密区造成危害。即使具有少量的轨道控制能力，也可消除上述的必须提早结束飞行的原因。以前考虑用来控制自由气球的轨道的方法有推进器、选择不同风向的高度控制、和在长的系绳上装阻力伞。推进器需要很大的动力来拖动气球通过大气。在科学气球通常要求的高海拔高度上空气十分稀薄，对于这样高的海拔高度，推进器必须十分庞大才能产生大的升力。而且，由于气球本质上需要使重量保持最小，所以，上述的强大动力的要求对于气球来说通常是不可行的。如果用太阳能电池来产生动力的话，那么在没有笨重的电池的情况下也不能进行夜间操作。如果通过燃烧燃油来产生推动力。那么由于携带的燃油重量有限，飞行时间也不能长。对推进动力的上述要求与需要保持气球系统重量轻的要求是相矛盾的。已经进行过关于对比空气轻(LTA)的飞行器的推动原理的若干研究。J.J.Vorachek在第6届AFCKL(空军坎布里奇研究实验室)会议(1970年)上发表的“A Comparison of Several Very High Altitude Station KeepingBallon Concepts(几种使气球保持超高空飞行的原理的比较)”和R.R.Ross在Earth Observations From Balloons(从气球上看地球)会议上发表的“Advanced Balloon System as Photographic Platform(作为照相平台的先进气球系统)”中都讨论了由悬挂在较短系绳上的推进器推动的自然成形气球。这两篇文献都谈到带有悬挂在系绳上的推进器和发电机的自然成形气球的飞行试验。按照这两篇文献所述，上述气球装置由于需要大的推进能量，其飞行作业只限于两三天的时间。上述文献还谈到有关发动机在高的海拔高度上工作的困难。吸入空气的发动机需要几级增压，使空气密度增大到可有效地燃烧燃料的密度值。另外，无论是燃气发动机还是电动发动机都遇到排出大量废热以防止在稀薄空气中过热的问题。还设计过其他的推进器推进的LTA飞行器，如Raven Industries公司Jack Beemer等于1975年在“POBAL-S，The Analysis and Design ofa High Altitude Airship(POBAL-S，高空气艇的分析与设计)”中所述的并为空军坎布里奇研究试验室制造的那种。该文献介绍了一种设计在21000米高空大约工作一星期的推进器驱动的飞艇。上述的推进器驱动的气球和推进器驱动的飞艇都设计成可使LTA飞行器保持在地面特定装置的上空中。这种作业要求LTA飞行器在作业高度上按照等于风速的相对速度飞行。由于风速可达15～50m/s(50～150ft/s)，所以需要很大的动力。另一种方法是控制LTA飞行器的高度，以选择一个风按照合适的方向(或者至少是接近于所需方向)移动的高度。这就是体育运动气球驾驶员使用热空气气球或氦气球时所用的主轨道控制技术。通过选择气球漂移高度而选择不同的漂移方向的方法也有许多缺点。第一，必须设置控制高度的装置。热空气运动气球的驾驶者可升高或降低提升气体的温度来调节高度，而氦气球的驾驶者则倾向于空投镇重物或者排出提升气体来调节高度。这种使用消耗品的方法大大地限制了飞行的持续时间。而且，携带镇重物也减少了飞行器可装载的重量。另一个缺点是，许多气球携带的科学仪器特别是用于天文学和天文地理学实验的仪器需要在高于大气层(99％)很远的高度下工作，在较低高度上不能得到优质的数据。而且，需要对不同高度的风有充分认识才能选择合适的高度。通常，在飞行过程中是不可能了解这样详细的。因此，体育运动的气球的飞行在寻找合适高度时常常要进行明显的试错。一种不用镇重物的控制高度的方法是设置一个充有氦气的气球和一个充有很稠密的致冷剂的第二袋。在低的高度上，上述致冷剂是气体。在高的高度上，上述致冷剂冷凝成液体。因此，在某个高度上，由于冷凝的气体的体积减小而使排开的空气量减少，故系统的总浮力减小。当系统下落到较低高度上的较温暖的空气中时，上述液体再次蒸发，因此，由于膨胀而排开较大的空气量。此时，浮力超过系统的重量，系统再次上升。故气球系统自然地在一个高度范围内循环，而不必排出氦气或去除镇重物。这种方法在K.T.Nock，K.M.Aaron等人于11届AIAA(美国航空和航天学会)轻于空气的系统的工艺会议(1995年)上发表的“BalloonAltitude Control Experiment(ALICE)(气球高度控制试验)”中谈过。通过将液态致冷剂收集到一个压力容器中而后再将它排回到密封袋内，就可以进行某些高度控制。每个高度循环所需时间为几个小时。这种高度控制程序不能在同温层工作，它需要在对流层中温度和压力有特殊改变的地方工作。可以在比气球低很远的高度上(此处常常是风向不定)设置一种阻力装置例如阻力伞。这种方法在E.R.Bourke II于1969年的Raytheon报告R69-4041A“Unique Approach to Balloon Station Keeping(保持气球状态的独特方法)”中说明过。这种方法可用于产生一个可使气球相对于周围空气移动的力。但是，该力的方向实质上是受阻力伞所处高度上的风向所限制。可以用一个绞盘使阻力伞上升或下降到具有不同风向的高度，但是，这要花大量的时间来改变力的方向。而且，在既有重力又有气动阻力的情况下要使装置升高需要很大的动力。另外，还需要对该高度上风的分布有充分的了解。因此，本专利技术的目的是提供一种控制气球轨道的有效地产生力的装置。这种升力产生机构的取向最好应使升力主要是水平的并且垂直于气球的运动方向。本专利技术的另一个目的是提供这样一种气球控制装置；它可被动地利用自然风的条件使气球保持在一个固定的高度上，并使通过气球的空气流扫除掉污染物。本专利技术的又一个目的是提供一种只需要很小动力并能在夜间工作的装置。本专利技术的上述的和有关的目的通过一种装置来实现，该装置具有一个用来产生很大的沿水平方向的升力并固定在从气球或其他轻于空气的系统悬挂下来的系绳上的升力产生机构。该装置还具有一种用于改变上述的升力产生机构产生的外力的折翼或方向舵，上述的升力产生机构和折翼(或方向舵)可安装在一个框架(例如桁梁)上或连结成一个整体。按照本专利技术的一个方面，上述的升力产生机构是一个帆。在另一个方面，上述的升力产生机构是一个翼板。在第三方面，上述的升力产生机构是陀螺构件的一部分。上述的折翼的工作可以通过改变升力产生机构的方向或者说运动来改变升力产生机构所产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在流体中使用的轨道控制装置，它具有： 一个框架； 一个安装在上述框架上的升力产生机构； 一个安装在上述框架上的折翼；和 一根具有第一端和第二端的系绳，其特征在于，上述的第一端固定在上述框架上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：基姆M阿伦，
申请(专利权)人：环球航空宇宙公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]