一種含有氫氣調節裝置的平流層飛艇的製作方法

2023-06-12 12:39:01 1

本發明涉及一種含有氫氣調節裝置的平流層飛艇，屬於平流層飛艇的浮力調節技術領域。

背景技術：

平流層飛艇是一種輕於空氣的臨近空間飛行器，工作高度在20公裡左右，能長時間定點駐空，非常適合作為新型信息平臺，用來進行寬帶通信、高精度對地觀測、區域預警等，已成為目前國內外的研究熱點。

飛艇在運行過程中必須滿足兩個平衡，一個是壓力平衡，一個是浮重平衡。壓力平衡是飛艇內外壓差必須保持在一定範圍內如500pa左右。浮重平衡是飛艇總浮力和總重力滿足飛艇升/駐/返需要達到一定量值。壓力平衡和浮重平衡由於艇內溫度變化規律的影響造成兩種平衡不能同時可靠，致使飛艇無法正常運行，如上升過程中艇內溫度過低致使保形空氣太多造成飛艇總重力太大，總浮力無法平衡總重力致使飛艇很難上升；下降過程中艇內溫度過高造成艇內外壓差過高致使無法鼓入空氣，造成飛艇無法產生足夠的淨重力下降；駐空過程中白天艇內溫度上升，為了保持浮力，艇內外壓差非常大致使蒙皮無法承受。

技術實現要素：

本發明的解決問題是：克服現有技術的不足，提出一種含有氫氣調節裝置的平流層飛艇。

本發明的技術解決方案是：

一種含有氫氣調節裝置的平流層飛艇，平流層飛艇中的艇身內部包括氫氣囊和空氣囊，氫氣囊中帶有頭罩，頭罩內帶有壓力傳感器；

平流層飛艇中的吊艙中帶有浮升調節系統和儲氫壓艙物；

所述的浮力調節系統包括氫氣處理系統、燃料儲箱、空氣存儲器、燃料電池、能源管理系統、鋰電池、水電解器、氫氣淨化器和水存儲器；

氫氣處理系統通過管道與頭罩連接，氫氣處理系統通過管道與燃料儲箱連接，燃料儲箱通過管道與燃料電池相連，空氣存儲器通過管道與燃料電池相連，燃料電池通過管道與水存儲器相連，燃料電池通過電纜與能源管理系統相連；

鋰電池通過電纜與能源管理系統連接，能源管理系統通過電纜與水電解器相連，水存儲器通過管道與水電解器相連，水電解器通過管道與氫氣淨化器相連，氫氣淨化器通過管道與氫氣處理系統相連；

儲氫壓艙物包括氫氣產生裝置、分離解鎖裝置和氣體閥門；

氫氣產生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液、水，下面一個空腔裝著NaBH4粉末；隔離板上帶有液體閥門；

氫氣產生裝置通過分離解鎖裝置固定連接在吊艙外面，打開分離解鎖裝置時氫氣產生裝置從吊艙上拋出；

氫氣產生裝置與氫氣處理系統之間通過管路連接，管路上有氣體閥門；

氫氣處理系統與氫氣囊中的頭罩通過管路連接，從氫氣處理系統中的氫氣通過頭罩進入到氫氣囊中。

氫氣處理系統包括氫氣壓縮機和增壓鼓風機；

燃料儲箱用於儲存高壓氫氣；

能源管理系統用於將燃料電池產生的電能輸送給鋰電池，並將鋰電池的電能應用到水電解器中；

氫氣淨化器用於將水電解器產生的氫氣進行乾燥、淨化；

水存儲器用於存儲燃料電池產生的水，並根據需要將水輸送給水電解器。

氫氣產生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑(催化劑為Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、強酸溶液(強酸溶液為鹽酸溶液)、純淨水，下面一個空腔裝著NaBH粉末；隔離板上帶有液體閥門。

氫氣產生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為三個空腔，其中上面兩個空腔，下面一個空腔，上面兩個空腔分別裝著催化劑(催化劑為Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、強酸溶液(強酸溶液為鹽酸溶液)，下面一個空腔裝著NaBH水溶液；隔離板上帶有液體閥門。

分離解鎖裝置為爆炸螺栓。

分離解鎖裝置為可控解鎖掛鈎。

與氫氣產生裝置連接的管路之間的作用力小於氫氣產生裝置的重力，即當氫氣產生裝置從吊艙上脫落時，氫氣產生裝置與管路就會斷開。

空氣存儲器中還包括一個空氣壓縮機，空氣存儲器與空氣囊通過管路連接，當燃料電池所需的空氣不足時，空氣存儲器就會提供空氣給燃料電池，同時，空氣囊中的空氣也會進入到空氣存儲器中，並通過空氣存儲器中的空氣壓縮機進行壓水電解器產生的氫氣通過管道與空氣囊連接，將氫氣輸送到空氣囊中，使空氣囊中的空氣成為富氧空氣。

附圖說明

圖1為本發明的平流層飛艇帶有浮升調節系統的結構組成示意圖；

圖2為本發明的平流層飛艇帶有儲氫壓艙物的結構組成示意圖；

圖3為本發明的氫氣產生裝置的結構示意圖。

具體實施方式

本發明的目的是提供一種新的飛艇大尺度浮力調節控制方法，解決平流層飛艇升/駐/返過程中的熱力學「超冷」、「超熱」問題和長期駐空浮升氣體洩漏補充問題。使用氫氣作為浮升氣體與能源系統進行一體化，使氫氣到水的氣液相變過程產生電能，儘量減少大尺度浮力調節帶來的能源消耗。通過以上創新設計能夠減小平流層飛艇設計尺寸，提高飛艇的載重能力，降低飛艇使用費用，增強能源系統性能，解決飛艇上升、下降、駐空過程中存在的熱力學問題。

針對平流層飛艇上升過程的「超冷」問題、下降過程的「超熱」問題、駐空過程的「晝夜溫差」問題、長期駐空浮升氣體洩漏問題，嚴重影響平流層飛艇達到「放飛上升、定點駐留、下降返場」的基本目標。本發明提供一套安全可靠的工程化系統解決方案。典型技術特色如下所述。

(1)浮升氣體與能源系統一體化

①為了能夠較大範圍的調節飛艇的浮重能力，徹底解決熱力學中的「超冷」、「超熱」問題；②上升過程不用多充入氦氣，下降過程不用放氦氣，徹底解決傳統方法浪費氦氣的問題；③平流層飛艇長期駐空，浮升氣體洩漏後會失去淨浮力，需要補充洩漏的浮升氣體。採用浮升氣體與能源系統一體化方案，此方案中浮升氣體含有氫氣。配備以氫作燃料的燃料電池產生電能以減少系統調整浮力過程中水電解消耗的能量，燃料電池工作將艇內氫氣轉化為水增加飛艇系統淨重力。配備水電解器產生艇內氫氣增加飛艇系統淨浮力。根據平流層飛艇升/駐/返過程中浮重平衡需要調整艇內氫氣的質量。

(2)艇上不攜帶專門的氧氣存貯設備

①不攜帶高壓氧氣及氧氣罐，為平流層飛艇系統設計減重；②直接從空氣中提取氧氣經燃料電池作用產生水，使平流層飛艇淨重力調節更有效；③水經過電解器後將產生的氧氣排放到空氣囊中，空氣囊排出空氣，空氣囊內具有富氧空氣，使平流層飛艇淨浮力調節更有效。對於燃料電池堆與大氣中氧反應，在低空可以與空氣中的氧氣進行反應，在平流層由於臭氧濃度高，可與臭氧進行反應。

(3)含氫量高的化學物質儲存氫氣

①上升過程中，水電解產生氫氣速度較慢，滿足不了飛艇快速上升抗拒「超冷」提升淨浮力的用氫需要；②上升過程需要持續補充氫氣，地面一次性補充氫氣會導致淨浮力過大，飛艇起步上升速度過快，造成艇結構損壞。該設備取名儲氫壓艙物，一方面，通過化學反應產生氫氣，提供持續淨浮力增加，另一方面，在上升過程的11km高度，拋掉產生氫氣完成後的剩餘物質，起到拋壓艙物的效果，進行階躍淨浮力增加控制。本方案採用含氫量高的化學物質儲存氫氣，化學物質如金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫、有機物儲氫等。通過含氫量高的化學物質儲存在較小空間中，在需要充氣展開時，利用含氫量高的化學物質與其它反應物在適合的環境中混和產生氫氣。化學反應使氫氣快速產生充入氫氣囊中，形成快速大範圍浮力增加控制。化學反應速度可以通過催化劑和溶液PH值來調節，因此放氫氣的速度是可通過催化劑和穩定劑進行調節的，同時通過調節反應物的劑量也可以控制氫氣的產生速度。

本發明在常規平流層飛艇氦氣囊空氣囊設計基礎上增加一個浮升調節氣囊氫氣囊的部署，浮升調節氣囊用於可控質量氫氣的存放，從而大範圍調整飛艇浮力變化。以下對平流層飛艇升/駐/返過程中本發明使用工作原理進行闡述。

參考美國聯邦航空局1987年頒布了FAA－P－8110－2《飛艇設計準則》(1995年第二次修訂)，我國民用航空總局1997年頒布了《飛艇適航標準》(AC－21－09)，以及英國Lindstrand公司(承擔歐空局臨近空間飛艇設計)的飛行要求和階段劃分，初步將臨近空間飛艇整個飛行過程分為飛行前準備、起飛段、低空機動段、上升段、高度逼近段、高空機動段、定點駐空段、下降段、低空機動段、著陸段。

在地面轉運階段，浮升調節氣囊中不存在氫氣，飛艇內只有空氣和氦氣，飛艇處於微淨重力狀態，適合地面轉運。

在上升階段，儲氫壓艙物掛在吊艙上，通過化學反應向浮升調節氣囊內充入氫氣，飛艇增加淨浮力，開始上升，上升過程中，在0～11km高度範圍內，浮升調節系統持續進行水電解反應產生氫氣，由於環境補能影響，主要由勢能增加導致的平流層飛艇「超冷」現象不是太嚴重，此時，通過儲氫壓艙物持續化學反應放出氫氣來補充由於「超冷」現象艇內氣體體積減小。在儲氫壓艙物持續放出氫氣的過程中，飛艇能夠保持持續上升，到11km高度，飛艇進入同溫層，飛艇將失去環境補能的影響，環境溫度在11km處於間斷點，平流層飛艇上升過程「超冷」現象從這一點開始更加嚴重，上升過程中的各種物理特性從此點開始發生階躍變化，因此，從此高度點開始，平流層飛艇需要拋下吊艙掛載的已經化學反應完全放完氫氣的儲氫壓艙物，拋儲氫壓艙物對重力來說是一個間斷變化過程，因此，彌補了11km高度溫度間斷點帶來的問題。

在上升過程中的11km～19km高度範圍內，浮升調節系統持續進行水電解反應產生氫氣，通過補充氫氣囊氫氣來抗拒「超冷」現象。

在從19km～20km上升過程中，飛艇慣性力較大，要提前進行減速，浮升調節氣囊內的氫氣轉化為水，逐步消除淨浮力的存在，並且根據艇內氣體溫度上升造成的艇內外壓差增加，逐步將艇內氫氣轉化為水，使飛艇保持浮重平衡。此過程是氫氣轉化為水的發電過程，正好解決由於上升造成的能源消耗問題。

在駐空階段，平流層飛艇受到太陽輻射、地面反照、地面紅外輻射等複雜環境影響造成艇內氣體晝夜溫差現象，夜間艇內氣體溫度較低，浮升調節氣囊內充入氫氣，保持飛艇浮重平衡，早上太陽輻射產生時，艇內氣體溫度升高，為了保持艇內外壓差在一定範圍內(500pa左右)，浮升調節氣囊內氫氣逐步轉化為水，屬於發電過程，向鋰電池充電，部分解決夜間能源消耗問題。在中午12點附近，太陽輻射逐步減弱，此時為了保持艇內外壓差平衡，利用太陽能電池充電過程進行水電解，使浮升調節氣囊內氫氣逐步增加，為了更有效利用太陽能，減輕鋰電池系統負擔，接近夜間還能獲取太陽能時，加快電解速度，使浮升調節氣囊內氫氣質量達到夜間需求量，在艇內氣體溫度還較高情況下，可以微量增加艇內外壓差，並可以使飛艇上升到一定高度。

在準備進入下降階段，為了使飛艇能夠下降，隨時能夠處於淨重力狀態，在中午12點附近浮升調節氣囊內需要保留一定量的氫氣，下降的最佳時間在鋰電池系統充滿電，太陽輻射消失的傍晚時刻，浮升調節氣囊內氫氣快速轉化為水，產生的電能用於增加飛艇空速，減弱由於下降造成的「超熱」現象，此時飛艇處於淨重力狀態。

在下降過程中，20km～11km高度快速將浮升調節氣囊內氫氣轉化為水，穿越西風急流區，在11km下，由於環境補能作用，下降過程的「超熱」現象會更加嚴重，此時，繼續利用在艇上剩餘儲備的儲氫壓艙物，儲氫壓艙物中的儲氫化合物(NaBH4粉末)也可以做乾燥劑使用，這種乾燥劑可以吸收雲層中的水分，使儲氫壓艙物重量增加，從而增加飛艇的淨重。

在飛艇快到地面階段，由於飛艇慣性力較大，需要提前進行減速，同時存在嚴重「超熱」現象，此時可以通過水電解、儲氫壓艙物繼續放氫氣、拋儲氫壓艙物、利用「超熱」現象對飛艇進行減速。使飛艇有時間機動到艇庫附近。

總之，氫氣作為浮升調節氣體的方法可以有效解決飛艇升/駐/返過程中的「超冷」、「超熱」現象，使平流層飛艇達到「放飛上升、定點駐留、下降返場」的基本目標。

(1)浮升調節系統

A.本發明與現有技術相比的有益效果是

徹底解決「升/駐/返」過程中「超冷」、「超熱」問題。平流層飛艇在「升/駐/返」的過程中，在0～20km高度範圍內飛行，高度範圍跨度大，總浮力變化達十幾倍；由於熱力學膨脹和壓縮過程，以及與周邊環境的傳熱傳質，造成飛艇內浮升氣體和空氣會產生「超熱」和「過冷」現象，例如，上升過程中，由於艇內氣體隨外界大氣壓力降低產生熱力學膨脹，在絕熱條件下，空氣和氦氣分別會產生約9.8℃/km和13.6℃/km的降溫，而外界大氣溫度變化僅為6.5℃/km(0～11km)或0℃/km(11～20km)，因此，在0～11km高度範圍，艇內氦氣和空氣會產生3.3℃/km和7.1℃/km的過冷，在11～20km高度範圍，艇內氦氣和空氣會產生9.8℃/km和13.6℃/km的過冷，而地面1℃的過冷會產生約1,620kg的淨重(若艇體積400,000m3)；另外，在駐空期間，白天由於太陽輻射的影響，飛艇內部氣體會產生超熱現象，這一方面會使氦氣膨脹，有可能超過允許的艇體體積，另一方面，會使得氦氣密度降低，同時排出更多的空氣，會產生數噸的淨浮力(過熱30K,體積400,000m3，約產生4噸的淨浮力)，為使飛艇高度不變，需通過調節手段，保持淨浮力為零。因此，大範圍(數噸)快速浮力調節技術是「升/駐/返」的核心關鍵技術。

在上升過程中遭遇「超冷」現象，如果不採取幹預手段，飛艇無法上升。

B.在駐空階段氫氣與氨氣作為飛艇浮升調節氣體的比較

夏至，若調節氣體為氨氣，最大回收速率為0.3265kg/s，最大釋放速率為0.3253kg/s。夏至，若調節氣體為氫氣，最大回收速率為0.0386kg/s，最大釋放速率為0.0385kg/s。

採用氫氣作為調節氣體在計算氣化消耗能量時，需要扣除氫氣液化能產生的能量，而且使用氫氣可以減小飛艇體積，降低抗風阻力，減少艇內晝夜能源循環需求量，因此，氫氣作為調節氣體是比較節能的選擇。

C.浮升調節氣囊配合太陽輻射上升方案有效性

若選擇太陽日為172(夏至)，11點開始放飛，2.65小時到達20km高度。

D.浮升調節氣囊配合加大空速下降方案有效性

若飛艇以18m/s的合速度運動，並充分利用氣動升力，且氣動升力為4500N。飛艇下降到2km需要的時間為4.04小時，其中下降到11km花費時間1.07小時。從以上分析來看，飛艇垂直向下力和合速度對飛艇下降能力具有較大影響，因此平流層飛艇推進系統，特別是適合於從上到下具有較大推力的推進系統在平流層飛艇設計中非常關鍵。同時，在不同高度分配垂直向下力和合速度的數值，使其進行優化組合，能夠較大幅度增強飛艇的下降能力。

(2)儲氫壓艙物

A.多種儲氫化學物質比較

配位氫化物儲氫具有生成氫氣需要的環境簡單、儲氫量高、反應可控等優點，因此是優選方案，為了說明本方案的效果，對配位氫化物的儲氫量，佔用體積，反應環境，反應生成氫氣量和反應速度進行分析。配位氫化物儲氫量如下表所示：

由上表可知，硼氫化鈉的質量儲氫密度和體積儲氫密度都不是最高，但是對硼氫化鈉的研究和應用已經較為成熟，因此進行效果分析選擇硼氫化鈉較為合適。

B.NaBH4水解反應的優勢

NaBH4是一種強還原劑，在有機化學和無機化學方面有廣泛的應用，工業上廣泛用於製藥，也用作布料染料、精細有機合成、木漿漂白、非金屬及金屬材料的化學鍍膜、磁性材料製造、貴金屬回收、工業廢水處理等等方面。目前NaBH4的全球年產量約為5000～6000噸，美國90％的硼氫化鈉是由凡特朗公司生產的。德國的拜耳公司也有少量NaBH4生產。

硼氫化鈉和水組成的反應體系可提供純淨、增溼的氫源；室溫下可用塑料容器常壓存儲；自身及副產物對環境無害，與其他燃料相比具有更低的易燃性和爆炸性；硼氫化鈉水溶液在空氣中可穩定存在達數月之久。

其水溶液的穩定性可以由溶液溫度和pH值來進行調節。當加入特定催化劑的時候，硼氫化鈉可以迅速地發生水解反應，釋放出大量高純度的氫氣，其反應按下式進行：

NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2(ΔH＝-300kJ)

採用NaBH4制氫具有以下一些特點：

儲氫容量高，硼氫化鈉的飽和水溶液濃度可達35％，此時的儲氫量為7.4wt％；

NaBH4水溶液具有阻燃性，並且在加入穩定劑後能夠穩定存在於空氣中；

溶液需要特定的催化劑來進行引發，可快速釋放出氫氣；

反應的引發可以在低溫下進行，不需要外部提供額外能量；

反應的副產物NaBO2對環境無汙染，並且可以作為合成NaBH4的原料進行回收再利用；

產生的氫氣純度高，不含其他雜質，只有少量的水分；

氫氣產率高，NaBH4基本可以完全反應；

直至氫氣全部放出為止，反應速度幾乎保持不變。

NaBH4是一種無毒的白色晶狀粉末，摩爾質量為37.83g/mol，密度為1.0740g/cm3，本身儲氫容量為10.8wt.％。

C.NaBH4水解控制氫氣產生速度的方法

上面生成氫氣的反應在沒有催化劑的情況下也能進行，其反應速度依賴於溶液的PH值和溫度。Kreevoy等人發現，這一速度由下面公式決定：

lgt1/2＝pH-(0.034T-1.92)

式中t1/2是半衰期(NaBH4水溶液分解1/2的時間)，以min為單位；T是絕對溫度，以K為單位。

若在高空溫度較低的環境下，反應物水的pH值應該儘量低，使成酸性。

NaBH4的水解反應實際上是溶液中兩種不同價態中間物(H+、BH4-)之間的反應。如果溶液中H+濃度太低，NaBH4溶液水解反應的速度會大大降低，因此鹼性環境可以抑制NaBH4水溶液水解的原因。但是通過催化劑調節可以加速NaBH4的水解反應。如下為部分催化劑的效應。

D.NaBH4儲氫效能

NaBH4摩爾質量為37.83g/mol，密度為1.0740g/cm3，本身儲氫容量為10.8wt.％。硼氫化鈉的飽和水溶液濃度可達35％，若水密度按照1g/cm3，NaBH4飽和水溶液密度為1.3759*103kg/m3，溶液儲氫量為7.4wt％，因此溶液儲氫密度為101.8166kg/m3。

NaBH4飽和水溶液生成氫氣並不是在一定體積條件下生成氫氣量最多的反應方案，但是其主要優點在於目前應用較為成熟，反應速度的控制容易實現。除了NaBH4飽和水溶液反應外，NaBH4與HCl溶液反應也能快速產生氫氣，但是反映速度需要通過專門的設備控制。

浮升調節系統實施方式

氫氣囊被氦氣囊覆蓋，這樣更加有利於氫氣囊的安全性，由於氫氣是艇內最輕氣體，氫氣囊頂著飛艇頂端，飛艇囊體頂部需要做安全處理。為了簡化系統設計，氫氣通過一條管道連接氫氣囊和氫氣回收釋放系統。氫氣回收釋放系統類似於再生燃料電池，只是不攜帶專門的氧氣存儲系統，將艇內一級壓縮含氧空氣進行二級壓縮後儲備以供燃料電池使用，從副氣囊抽取空氣藉助鼓風機實現一級壓縮有利於系統的簡化，提高燃料電池效率。由於不攜帶氧氣存儲系統，水電解後的氧氣排到空氣囊中，排出的氧氣需要進行充分的水萃取，使其完全乾燥後排出。為了更多獲取艇上水資源，副氣囊上鼓風機中可安裝水萃取系統，提取空氣中的水分。

儲氫壓艙物系統實施方式

(1)儲氫壓艙物布局

儲氫壓艙物掛在吊艙外部，為配合浮重平衡，隨時可以拋下飛艇。另一方面，儲氫壓艙物能夠通過化學反應產生氫氣，通過氫氣處理系統將氫氣輸送給飛艇，補充飛艇必須的氫氣。

(2)儲氫壓艙物系統構成

儲氫壓艙物系統通過充氣管向氫氣處理系統傳送氫氣，氫氣經氫氣處理系統增壓增速後向飛艇浮升調節氣囊內充入氫氣。氫氣產生調節控制系統通過反應生成熱、反應劇烈程度、對系統安全性影響、系統所處高度、系統「超冷」情況、已充入氫氣量等參數藉助催化劑、反應物混和量和反應酸性等手段調節反應速度，從而控制氫氣的產生量。為了在有限的體積內多生成氫氣，可以用NaBH4粉末與水分離逐步在NaBH4粉末中注入水反應的方式，此方案還有一個好處是粉末狀的NaBH4可以作為乾燥劑，因此，具有大氣或雲層中吸水的能力，適合在下降過程中使用。另一種方式是NaBH4鹼性水溶液儲存氫氣，通過催化劑與強酸調節反應速度。

浮升氣體與能源系統一體化系統實施方式

燃料儲箱中的氫氣是高壓的氫氣，通過氫氣處理系統可以將氫氣囊中的氫氣與燃料儲箱中的高壓氫相互轉換，燃料儲箱中的高壓氫傳輸給燃料電池的反應堆。高壓氫氣的燃料儲箱用於協助調整進入燃料電池氫氣的流速和壓力。

艇上沒有專門的氧氣存儲設備，水電解的氧氣直接排放到副氣囊中，副氣囊中的含氧空氣經過高壓處理後存儲在含氧高壓空氣處理存儲器，等燃料電池需要時提供氧氣。

浮升調節系統類似於再生燃料電池系統，只是根據浮升調節氣囊尺寸和變化速度進行最小化的系統。平流層飛艇的主要電能還是儲存在鋰離子電池中，浮升調節系統在增加浮力電解水的過程需要鋰離子電池供電，在減小浮力燃料電池工作過程中向鋰離子電池充電。

(4)系統工作流程

A、上升過程的飛行策略

準備放飛段(0km)：通過儲氫壓艙物系統或專門的氫氣輸入系統將浮升調節氣囊中充入氫氣，多充部分浮升調節氣囊工質，或提前啟動熱力循環裝置，增大「浮升調節氣囊」體積，拋掉部分儲氫壓艙物，使飛艇從淨重力狀態轉換到淨浮力狀態。

上升初段(0km～11km)：0km～11km隨著高度的上升溫度逐漸降低，飛艇在上升過程中存在環境補能的影響，「超冷」現象不是很嚴重。在上升過程中，為應對此階段的「超冷」導致的浮力損失，根據上升過程中的氣體溫差和上升速度進行反饋控制，一方面，通過「空氣囊」閥門控制空氣排氣流量，另一方面，通過「浮升調節氣囊」的熱力循環裝置，控制工質的熱力學狀態參數，逐步增大「浮升調節氣囊」的體積比例，滿足飛艇的淨浮力和壓力的雙重控制要求。

上升末段(11km～19km)：此段高度屬於同溫層，飛艇失去環境補能影響的同時，艇內空氣大量排出飛艇總重減小，在11km間斷點附件，飛艇可拋下儲氫壓艙物使上升速度維持在一定範圍內，其他操作與上升初段類似。穿越西風急流區過程中，飛艇需要加速上升。

機動段(19km～20km)：飛艇上升到約19km高度時，通過液化調節氣囊工質的方式，或啟動熱力循環逆過程，逐步降低「浮升調節氣囊」的體積比例，飛艇逐步減速，避免形成高度過衝導致囊體壓力過大，威脅飛艇安全。

B、高空駐留段飛行策略

在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內氣體的溫度逐漸升高，為避免艇內外壓力差增加，同時保證飛艇保持浮重平衡，實現高度定點，「浮升調節氣囊」啟動氫氣液化過程，逐步減小其體積比例，允許「浮升氣囊」逐漸膨脹，以抑制艇內部氣體壓力增加，保證蒙皮安全；光照減弱後，飛艇內囊氣體溫度逐漸降低，艇內外壓力差降低，此時可逐步通過電解過程控制「浮升調節氣囊」的體積比例增大，保持艇內外壓差控制在安全範圍內。在夜晚，「浮升調節氣囊」處於低功耗或待機狀態。

C、下降過程的飛行策略

在正常返回下降工作模式中，飛艇不必在「超熱」最嚴重的正午啟動下降過程，而可以在內外溫差較小的夜晚下降，這樣可以使飛艇獲得更大的淨重力。

在下降過程中，為應對熱力學壓縮產生的「超熱」導致的浮力增大(淨重力減小)，根據下降過程中的氣體溫差和下降速度進行反饋控制，一方面，通過「空氣囊」閥門和風機控制外部空氣的進氣流量，另一方面，通過「浮升調節氣囊」的液化循環裝置，控制工質的熱力學狀態參數，逐步減小「內調節氣囊」的體積比例，滿足飛艇的淨重力和壓力的雙重控制要求。

接近地面時，可通過化學反應方法快速釋放氫氣改變「內調節氣囊」的體積比例，快速產生要求的淨浮力，避免拋扔艇上設備來實現減速著陸。

綜上所述，本發明提供的氫氣作為平流層飛艇浮升調節氣體的設計方案能夠安全可靠的解決平流層飛艇設計中能源餘量浪費、大範圍調節浮重能力等問題，能夠解決平流層飛艇升/駐/返過程中的「超冷」、「超熱」現象，適用於平流層飛艇淨浮/重力調節，其應用價值得到體現，已符合專利發明要求具備的新穎性、創造性、實用性。

實施例

如圖1和圖2所示，一種含有氫氣調節裝置的平流層飛艇，平流層飛艇中的艇身內部包括氦氣囊101、氫氣囊103(也稱為浮升調節氣囊)和空氣囊102，氫氣囊103中帶有頭罩104，頭罩104內帶有壓力傳感器，壓力傳感器用於判斷氫氣囊103中的氫氣是否用盡，頭罩104用於氫氣囊103的囊體賭塞氫氣管道；

平流層飛艇中的吊艙中帶有浮升調節系統和儲氫壓艙物；

所述的浮力調節系統包括、氫氣處理系統105、燃料儲箱106、空氣存儲器107、燃料電池108、能源管理系統109、鋰電池110、水電解器111、氫氣淨化器112、水存儲器113；

氫氣處理系統105包括氫氣壓縮機和增壓鼓風機；

燃料儲箱106用於儲存高壓氫氣；

能源管理系統109用於將燃料電池108產生的電能輸送給鋰電池110，並將鋰電池110的電能應用到水電解器111中；

氫氣淨化器112用於將水電解器111產生的氫氣進行乾燥、淨化；

水存儲器113用於存儲燃料電池108產生的水，並根據需要將水輸送給水電解器111；

浮力調節系統又分為氫氣液化系統和水電解系統，氫氣液化系統構造如下所示，氫氣處理系統105通過管道與頭罩104連接，氫氣處理系統105通過管道與燃料儲箱106連接，燃料儲箱106通過管道與燃料電池108相連，空氣存儲器107通過管道與燃料電池108相連，燃料電池108通過管道與水存儲器113相連，燃料電池108通過電纜與能源管理系統109相連；水電解系統構造如下所示，鋰電池110通過電纜與能源管理系統109連接，能源管理系統109通過電纜與水電解器111相連，水存儲器113通過管道與水電解器111相連，水電解器111通過管道與氫氣淨化器112相連，氫氣淨化器112通過管道與氫氣處理系統105相連。

儲氫壓艙物包括氫氣產生裝置114、分離解鎖裝置115和氣體閥門116。

如圖3所示，氫氣產生裝置114為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液、水溶液，下面一個空腔裝著NaBH4粉末。隔離板上帶有液體閥門，當液體閥門打開時四個空腔中的化學物質能夠進行充分混合併產生氫氣。

氫氣產生裝置114為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為三個空腔，其中上面兩個空腔，下面一個空腔，上面兩個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液，下面一個空腔裝著NaBH4水溶液。隔離板上帶有液體閥門，當液體閥門打開時三個空腔中的化學物質能夠進行充分混合併產生氫氣。

氫氣產生裝置114通過分離解鎖裝置115固定連接在吊艙外面，打開分離解鎖裝置115時氫氣產生裝置114可從吊艙上拋出；分離解鎖裝置115可以為爆炸螺栓等火工品或為可控解鎖掛鈎；

氫氣產生裝置114與氫氣處理系統105之間通過管路連接，管路上有氣體閥門116，與氫氣產生裝置114連接的管路之間的作用力小於氫氣產生裝置114的重力，即當氫氣產生裝置114從吊艙上脫落時，氫氣產生裝置114與管路就會斷開。

氫氣處理系統105與氫氣囊103中的頭罩104通過管路連接，從氫氣處理系統105中的氫氣通過頭罩104進入到氫氣囊103中；

空氣存儲器107中還包括一個空氣壓縮機，空氣存儲器107與空氣囊102通過管路連接，當燃料電池108所需的空氣不足時，空氣存儲器107就會提供空氣給燃料電池108，同時，空氣囊102中的空氣也會進入到空氣存儲器107中，並通過空氣存儲器107中的空氣壓縮機進行壓縮；

水電解器111產生的氫氣通過管道與空氣囊102連接，將氫氣輸送到空氣囊102中，使空氣囊102中的空氣成為富氧空氣。

工作過程：

地面轉運段(0km)：氫氣囊103中存在微量氫氣，飛艇處於微淨重力狀態，適合地面轉運。

準備放飛段(0km)：平流層飛艇通過外部氫氣輸入系統、儲氫壓艙物和浮力調節系統向氫氣囊103中充入氫氣，增大氫氣囊103體積，排出空氣減小空氣囊102體積，拋掉已經完全放完氫氣的儲氫壓艙物，使飛艇從淨重力狀態轉換到淨浮力狀態。其中外部氫氣輸入系統直接接入氫氣處理系統105向氫氣囊供應氫氣。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產生裝置114中的液體閥門被打開，使化學反應物質充分混合，產生氫氣，系統自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統105，進行壓力調整後通過管路經過頭罩104進入氫氣囊103。待儲氫壓艙物中的氫氣放完，分離解鎖裝置115觸發，氫氣產生裝置114與吊艙分離，由於重力作用，氫氣產生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。此時，浮力調節系統中的水存儲器113充滿純淨水，水電解器111開始工作產生氫氣，氫氣通過管道經過氫氣淨化器112進行乾燥淨化後，經過氫氣處理系統105調整到適當的壓力後，經由管路輸向氫氣囊103。

上升初段(0km～11km)：0km～11km隨著高度的上升溫度逐漸降低，飛艇在上升過程中存在環境補能的影響。在上升過程中，為應對此階段的「超冷」導致的浮力損失，根據上升過程中的氣體溫差和上升速度進行反饋控制，一方面，通過空氣囊102的閥門控制空氣排氣流量，另一方面，通過儲氫壓艙物和浮力調節系統向氫氣囊103中充入氫氣，逐步增大氫氣囊103的體積比例，滿足飛艇的淨浮力和壓力的雙重控制要求。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產生裝置114中的液體閥門被打開，使化學反應物質充分混合，產生氫氣，系統自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統105，進行壓力調整後通過管路經過頭罩104進入氫氣囊103。水電解器111利用水存儲器113中的水開始工作產生氫氣，氫氣通過管道經過氫氣淨化器112進行乾燥淨化後，經過氫氣處理系統105調整到適當的壓力後，經由管路輸向氫氣囊103。

上升末段(11km～19km)：此段高度屬於同溫層，飛艇失去環境補能影響的同時，艇內空氣大量排出飛艇總重減小，在11km間斷點附件，飛艇可拋下儲氫壓艙物使上升速度維持在一定範圍內，其他操作與上升初段類似。穿越西風急流區過程中，飛艇需要加速上升。

具體過程為：在11km高度，拋下已經放完氫氣的儲氫壓艙物，分離解鎖裝置115觸發，氫氣產生裝置114與吊艙分離，由於重力作用，氫氣產生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。水電解器111產生氫氣，氫氣通過管道經過氫氣淨化器112進行乾燥淨化後，經過氫氣處理系統105調整到適當的壓力後，經由管路輸向氫氣囊103。

機動段(19km～20km)：飛艇上升到約19km高度時，逐步降低氫氣囊103的體積比例，減弱淨浮力，飛艇逐步減速，避免形成高度過衝導致囊體壓力過大，威脅飛艇安全。

具體過程為：氫氣處理系統105吸入氫氣囊103中的氫氣，並將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統109，水傳送到水存儲器113中。

高空駐留飛行段(20km範圍)：在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內氣體的溫度逐漸升高，為避免艇內外壓力差增加，同時保證飛艇保持浮重平衡，浮升調節系統啟動氫氣液化過程，逐步減小氫氣囊103體積比例，允許空氣囊102和氦氣囊101逐漸膨脹，以抑制艇內部氣體壓力增加，保證蒙皮安全；光照減弱後，飛艇內囊氣體溫度逐漸降低，艇內外壓力差降低，此時可逐步通過浮升調節系統的電解過程控制氫氣囊103的體積比例增大，保持艇內外壓差控制在安全範圍內。在夜晚，氫氣囊103處於低功耗或待機狀態。

具體過程為：在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內氣體的溫度逐漸升高，更具內外壓差傳感器，控制浮升調節系統啟動氫氣液化過程，氫氣處理系統105吸入氫氣囊103中的氫氣，並將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統109，水傳送到水存儲器113中。正午過後，艇內氣體溫度開始下降，控制浮升調節系統啟動水電解過程，水電解器111利用水存儲器113中的水開始工作產生氫氣，氫氣通過管道經過氫氣淨化器112進行乾燥淨化後，經過氫氣處理系統105調整到適當的壓力後，經由管路輸向氫氣囊103。

下降段(20km～2km)：在正常返回下降工作模式中，飛艇不必在「超熱」最嚴重的正午啟動下降過程，而可以在內外溫差較小的夜晚下降，這樣可以使飛艇獲得更大的淨重力。在下降過程中，為應對熱力學壓縮產生的「超熱」導致的浮力增大(淨重力減小)，根據下降過程中的氣體溫差和下降速度進行反饋控制，一方面，通過空氣囊102閥門和風機控制外部空氣的進氣流量，另一方面，通過氫氣囊103中氫氣的液化逐步減小氫氣囊103的體積比例，滿足飛艇的淨重力和壓力的雙重控制要求。

具體過程為：控制浮升調節系統啟動氫氣液化過程，氫氣處理系統105吸入氫氣囊103中的氫氣，並將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統109，水傳送到水存儲器113中。

下降接近地面段(2km～0km)：接近地面時，儲氫壓艙物和浮力調節系統向氫氣囊103中充入氫氣，增大氫氣囊103體積，排出空氣減小空氣囊102體積，拋掉已經完全放完氫氣的儲氫壓艙物，使飛艇淨重力逐漸減弱，不至於飛艇產生硬著陸。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產生裝置114中的液體閥門被打開，使化學反應物質充分混合，產生氫氣，系統自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統105，進行壓力調整後通過管路經過頭罩104進入氫氣囊103。待儲氫壓艙物中的氫氣放完，分離解鎖裝置115觸發，氫氣產生裝置114與吊艙分離，由於重力作用，氫氣產生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。此時，浮力調節系統中的水存儲器113充滿純淨水，水電解器111開始工作產生氫氣，氫氣通過管道經過氫氣淨化器112進行乾燥淨化後，經過氫氣處理系統105調整到適當的壓力後，經由管路輸向氫氣囊103。