用于轻于空气的高海拔平台的系统和方法技术方案

公开了一种节能且轻于空气的高海拔平台(HAP)，其允许在约50,000‑80,000英尺的高海拔处持续的驻位保持很长时间段。HAP包括可以具有环面的拓扑的气动流线型本体。本体可以用轻于空气的气体充气，其量足以提供到高海拔的升力。HAP具有延伸通过增压本体的管道，其通过管道将流转移并减少气动阻力。HAP可以包括位于管道中的一个或多个螺旋桨，用于提供推力并维持HAP相对于地面的给定位置。还可以存在控制系统、太阳能收集系统、能量存储系统和/或任何各种有效载荷，用于完成各种任务，诸如通信和/或态势感知应用。

System and method of high altitude platform for lighter than air

An energy-saving and lighter-than-air high-altitude platform (HAP) is disclosed, which allows a sustained presence at altitudes of about 50,000 to 80,000 feet for a long period of time. HAP includes aerodynamic streamlined ontology with toroidal topology. The body can be inflated with gases lighter than air, enough to provide lift at high altitudes. HAP has a pipeline extending through the booster body, which transfers flow through the pipeline and reduces aerodynamic resistance. HAP may include one or more propellers located in a pipeline to provide thrust and maintain a given position of HAP relative to the ground. There can also be control systems, solar energy collection systems, energy storage systems and/or any other payload for various tasks, such as communications and/or situational awareness applications.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于轻于空气的高海拔平台的系统和方法通过引用并入任何相关申请本申请是2016年5月17日提交的题为“SYSTEMSANDMETHODSFORLIGHTER-THAN-AIRHIGHALTITUDEPLATFORMS”的美国专利申请号15/157,132的国际申请，用于所有目的，该申请的公开内容在此通过引用将其全部内容并入本文，并构成本说明书的一部分。背景
本专利技术涉及航空器。具体地，公开了用于轻于空气的高海拔(高空，highaltitude)平台的特征。相关技术的描述位于地球表面上方感兴趣的位置的长期资产(长寿命的贵重器材)已被证明对于很多应用具有很大价值，但迄今为止，这只对远高于地球的大气层的轨道中的卫星才是实用的。已经进行了多次尝试去开发这种类型的用于在地球的大气层内使用的资产，但是提供足够的能量来克服风引起的阻力(拖曳)的需要已经妨碍适度尺寸的飞行器的使用，并已经导致了具有非常大的动力产生能力的巨型半刚性飞船的开发。这些飞船与大型载人飞机一样昂贵，并且它们的物流对用户构成严重的障碍。因此，目前没有部署该类型的资产。已经部署了自由飞行(无动力)轻于空气的飞行器的舰队来展示用于通信目的的区域覆盖(范围)，但这需要大群适度尺寸的气球，其在高海拔处根据盛行风在固定纬度处环绕地球行驶。挑战依然是展示实用的且价格合理的平台，该平台是足够地气动(空气动力)和能量有效的，以完成长时间段的驻位保持(在同一纬度和经度处停留在(高)空中)。
技术实现思路
本文公开的实施方式各自具有若干方面，没有单个的一个方面单独负责本公开的期望属性。在不限制本公开的范围的情况下，现在将简要讨论其更突出的特征。在考虑该讨论之后，并且特别是在阅读题为“具体实施方式”的部分之后，人们将理解本文描述的实施方式的特征如何提供优于用于高海拔平台的现有系统和方法的优点。该开发涉及一种能量有效的轻于空气的高海拔平台(HAP)，其允许持续的驻位保持，即相对于地面保持静止，具有一个或多个有效载荷处于非常高的海拔并且持续较长的时间段。HAP允许支持一系列通信和监视功能。即使存在地基干扰机，在这些功能中也是全球定位系统(GPS)信息的来源，因为来自HAP递送的有效载荷的信号可以比位于远远更高的海拔处的现有卫星的信号强数千倍。其他可能的功能包括但不限于一系列通信和通信收集有效载荷。HAP可以与地球表面上跨越数百英里的区域进行通信。HAP包括气动流线型的本体，其减少HAP上的阻力。该本体可以具有环面的拓扑。本体可以使用轻于空气的气体(诸如氢气或氦气)充气，并且其量足够以提供升力，使得HAP可以到达并维持非常高的海拔。可以用这种气体对本体增压。内部压力可以小于发射处的环境大气压力，但大于在这些高的海拔处的环境压力。这种海拔可以包括海平面上方例如50,000-80,000英尺的高度。管道可以延伸穿过HAP的本体并且在HAP上提供进一步减小的阻力。HAP能够操纵至并维持在地球的表面上方的任何期望的位置数天、数周或甚至数月，在适合用于通信和/或态势感知目的的大气层内的海拔处。HAP具有延伸穿过增压本体的管道。管道可以在中心延伸穿过本体。管道可以具有第一向前开口，该第一向前开口面向并且对齐大致平行于大气层中自由流(自由流型流)的方向。这种对齐可以通过将自由流的一部分转移到管道中并且通过管道来影响例如减小在HAP上的阻力，使得转移的流离开管道退出第二向后开口。HAP可以包括位于管道中例如在管道的向前部分中的一个或多个螺旋桨，以提供推进力并维持HAP相对于地面的给定位置。在不增加螺旋桨(一个或多个)的情况下，管道独自可以导致HAP上的总阻力的净增加，但螺旋桨(一个或多个)的包含物和管道中相关联的压力改变可以减少HAP上有效的总阻力。HAP还可以包括：控制系统，以提供飞行器的稳定的可预测的运动；太阳能收集系统，以给推进、控制和/或有效载荷系统提供能量；能量存储系统，以允许跨越昼夜循环的连续操作；和/或各种有效载荷中的任何以实现所期望的性能，诸如通信和/或态势感知应用。在一方面，描述了一种高海拔平台。该平台包含可充气本体、管道和螺旋桨。可充气本体被配置为在其中含有有效量的气体以提供升力，使得运载器可以达到50,000英尺的最小海拔，其中，当充气时，本体具有在本体的相对端处的具有第一开口的前部和具有第二开口的后部，其中，从前部到后部的距离限定了充气的本体长度，并且其中，充气的本体长度大于充气的本体的最大宽度。管道穿过本体设置并具有多个截面面积，该管道具有至少从本体前部的第一开口处或其附近延伸到本体的后部处的第二开口或其附近的长度，其中多个截面面积从第一开口到管道的中间区域的向前部分减小，其中中间区域位于与第二开口相比更靠近第一开口，并且其中多个截面面积从中间区域的向后部分到第二开口增加。螺旋桨定位在管道中在第一开口和第二开口之间。在一些实施方式中，当充气时，本体具有约0.002的表面面积阻力系数在自由流中，其具有相对于本体约为二十米每秒(m/s)的速度并且具有约4.8x106的雷诺数。在一些实施方式中，在具有相对于本体约为二十米每秒(m/s)速度的自由流中，高海拔平台上的阻力在约65,000英尺的海拔处是小于约14磅(lbs)。在一些实施方式中，高海拔平台具有至少约410kg的提升能力。在一些实施方式中，高海拔平台还包含太阳能面板，该太阳能面板与运载器耦接，并且配置为与电能存储器结合以向运载器提供电力。在一些实施方式中，高海拔平台还包含控制表面，该控制表面配置成使运载器取向使得前部面向自由流。在一些实施方式中，高海拔平台还包含与运载器耦接的有效载荷并且包含通信系统。在一些实施方式中，螺旋桨定位在管道中在第一开口和第二开口之间，在位于距中间区域的向前部分约管道长度的10％或更少的距离处的位置处。在另一方面，描述了一种高海拔平台。该高海拔平台包含可充气本体、管道和第一螺旋桨。可充气本体具有前部和位于距前部距离L的后部，本体被配置为在其中含有至少3,000立方米的浮力气体以提供升力，浮力气体选自氢气、氦气或其混合物，并且当充气时，本体在距前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度。管道从前部到后部延伸穿过本体，并且包含第一开口，在本体的前部处具有第一截面面积；第二开口，在本体的后部处具有第二截面面积；以及中间区域，具有位于比第二开口更靠近第一开口的向前部分，其中中间区域具有等于第三截面面积的最小截面面积，并且第一截面面积和第二截面面积每个都大于第三截面面积。第一螺旋桨定位在管道的中间区域中。在一些实施方式中，高海拔平台还包含从第一截面面积到第三截面面积的多个收敛截面面积，并且多个收敛截面面积从第一截面面积至第三截面面积连续减小。在一些实施方式中，高海拔平台还包含从第三截面面积到第二截面面积的多个发散截面面积，并且多个发散截面面积从第三截面面积至第二截面面积连续增加。在一些实施方式中，管道的发散角从中间区域到第二开口至少约为1.3度。在一些实施方式中，高海拔平台还包含太阳能面板，该太阳能面板与运载器耦接，并且配置成与电能存储器结合以向运载器提供电力。在一些实施方式中，高海拔平台还包含控制表面，该控制表面被配置成使运载器取向使得前部面向自由流。在一些实施方式中，高海拔平台还包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高海拔平台，包括：可充气本体，配置为在其中含有有效量的气体以提供升力，使得运载器能够达到50,000英尺的最小海拔，其中，当充气时，所述本体具有在所述本体的相对端处的具有第一开口的前部和具有第二开口的后部，其中从所述前部到所述后部的距离限定了充气的本体的长度，并且其中所述充气的本体的长度大于所述充气的本体的最大宽度；管道，设置成穿过所述本体并具有多个截面面积，所述管道具有至少从所述本体的前部的第一开口处或其附近延伸到所述本体的后部的第二开口处或其附近的长度，其中所述多个截面面积从所述第一开口到所述管道的中间区域的向前部分减小，其中所述中间区域位于与所述第二开口相比更靠近所述第一开口，并且其中所述多个截面面积从所述中间区域的向后部分到所述第二开口增加；以及螺旋桨，定位在所述管道中在所述第一开口和第二开口之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.17 US 15/157,1321.一种高海拔平台，包括：可充气本体，配置为在其中含有有效量的气体以提供升力，使得运载器能够达到50,000英尺的最小海拔，其中，当充气时，所述本体具有在所述本体的相对端处的具有第一开口的前部和具有第二开口的后部，其中从所述前部到所述后部的距离限定了充气的本体的长度，并且其中所述充气的本体的长度大于所述充气的本体的最大宽度；管道，设置成穿过所述本体并具有多个截面面积，所述管道具有至少从所述本体的前部的第一开口处或其附近延伸到所述本体的后部的第二开口处或其附近的长度，其中所述多个截面面积从所述第一开口到所述管道的中间区域的向前部分减小，其中所述中间区域位于与所述第二开口相比更靠近所述第一开口，并且其中所述多个截面面积从所述中间区域的向后部分到所述第二开口增加；以及螺旋桨，定位在所述管道中在所述第一开口和第二开口之间。2.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，当充气时，所述本体在自由流中具有约0.002的表面面积阻力系数，所述自由流具有相对于所述本体约为二十米每秒(m/s)的速度并且具有约4.8x106的雷诺数。3.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，在具有相对于所述本体约为二十米每秒(m/s)的速度的自由流中，所述高海拔平台上的阻力在约65,000英尺的海拔处小于约14磅(lbs)。4.根据权利要求3所述的高海拔平台，其中，所述高海拔平台具有至少约410kg的提升能力。5.根据权利要求1所述的高海拔平台，还包括太阳能面板，所述太阳能面板与所述运载器耦接，并且配置成与电能存储器结合以向所述运载器提供电力。6.根据权利要求5所述的高海拔平台，还包括控制表面，所述控制表面被配置成使所述运载器取向成使得所述前部面向自由流。7.根据权利要求6所述的高海拔平台，还包括与所述运载器耦接的有效载荷，并包括通信系统。8.根据权利要求1所述的高海拔平台，其中，所述螺旋桨定位在所述管道中，在所述第一开口与第二开口之间，在位于距所述中间区域的向前部分约所述管道的长度的10％或更小的距离的位置处。9.一种高海拔平台，包括：可充气本体，具有前部和位于距所述前部距离L的后部，所述本体被配置为在其中含有至少3,000立方米的浮力气体以提供升力，其中所述浮力气体选自氢气、氦气或其混合物，并且其中当充气时，所述本体在距所述前部约L的35％至45％的位置处具有最大宽度；管道，从所述前部到所述后部延伸穿过所述本体，所述管道包括第一开口，在具有第一截面面积的所述本体的前部处；第二开口，在具有第二截面面积的所述本体的后部...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·埃伯利·帕尔门托拉，约翰·马歇尔·罗尔斯，阿尔贝托·阿尔瓦雷斯考尔德伦弗，布赖恩·马斯丘，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US