安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船的製作方法
2023-05-05 01:49:31
專利名稱：安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船的製作方法
技術領域：
本發明為安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，屬於航空技術領域的氣球飛行器技術——飛艇技術。
背景技術：
在飛機航空興起和完全佔領航空業的年代中，從20世紀70年代起，充氣飛行器——飛艇航空又開始復甦。這一方面是由於新的材料技術與控制技術可以改進歷史上飛艇的缺陷，從而使飛艇在載重量、航運成本、安全性上具備了與飛機航空競爭的能力；更重要的深層原因則是世界能源、石油緊缺日益嚴重，消耗巨量石油的飛機航空業也就面臨嚴重的危機。一旦石油枯竭，現有的一切飛機將成為一堆廢物。
正在復甦的充氣飛艇幾十年來發展速度並不快，遠沒有大量進入民用航空及其他實用航空領域，是因為在安全性、實用性上還存在一些缺點，特別是靈活自如地控制空中各個方向的運動尚不完善，以及所消耗的能源基本上仍然是石油產品。
發明內容
本發明的目的就是要設計製造一種較現有同類產品更加安全、經濟、控制靈活的充氣飛行器，使它在實用用途上對飛機航空具有更強的競爭力使它的空難事故率遠低於現有飛機航空，客貨運成本大大低於飛機空運，在運輸效率、實用性上也可以和飛機空運媲美；從而使它有條件大量進入民用航空業，以及成為普及到民眾的家用飛行器。本發明所指的飛行器即是一種相比於歷史上、現有的飛艇有著重大技術更新的新的飛艇——在本發明中又將飛艇稱為藍天飛船。因為船與艇是同義詞，前面加藍天二字表示它航行於大氣層中，有別於目前流行的宇宙飛船的稱謂。
以氦氣球取代氫氣球作為氣球飛行器浮力的來源，曾是安全的需要。而重新以氫氣球部分或全部取代氦氣球，則不僅可以大大降低氣球飛行器的成本(氫氣遠比氦氣廉價並且更易於製取)；而且便於採用儲能率極高的氫能作為燃料，可以大大提高飛行器的續航時間與航速，大大提高氣球飛行器的實用效能。
本發明目的是為了解決重新以氫氣球取代氦氣球帶來的安全問題，本發明不僅採用了兩種防火屏障——空間分隔，或防火滅火間隔牆；而且裝備有在氫洩漏或氫燃燒引起高溫時，迅速解脫氫氣球與飛行器其餘連接的自動保護裝置。當氫氣球與飛行器其餘部分因故障自動脫離後，飛行器其餘部分可依靠剩餘的其他產生浮力的充氣機構(氦氣球或備用充氣傘形囊)繼續飄浮或滑翔，實現安全降落。
本發明建立在包括發明「太陽能可控浮力、自控穩衡氦氣藍天飛船」在內的現有技術基礎之上。
可控浮力、自控穩衡氦氣藍天飛船，設有輕於空氣的氣球產生浮力的浮力裝置、動力裝置、載人或載人兼載物裝置。動力裝置以電動機或內燃機帶動螺旋漿或氣流泵噴氣機為動力。浮力裝置及浮力控制裝置至少設有兩組浮力氣體容器——軟體氣球或軟體、硬體氣球，不同氣球組之間由管道連接，在管道上串聯壓力泵、即充氣泵和充放氣閥門，依靠充氣氣球產生浮力，浮力氣體在充氣泵壓力作用下實現在不同氣球組的不同壓力、密度分布，從而自動控制浮力；浮力裝置下部連接載人或載人兼載物容器，其特徵是浮力調控是運用電子控制系統或電腦程式控制調節浮力氣體在各組氣球之間的不同密度，壓力分布實現的；設有實現自控穩衡的「調控飛行氣流氣泵」，它的出氣端通過出氣管道及支管通向分布在飛行器周圍方位的、帶可調控氣量閥門的噴氣嘴，它的進氣端通過進氣管道通向對外界開口的進氣口；其自控穩衡是運用電子控制系統或電腦程式控制「調控飛行氣流氣泵」噴射到外界的氣流的分布、強度實現的。
容納所有氣球的氣球艙空間具有扁平的形狀。浮力氣體容器氣球均為彈性膜製作的軟體氣球，這些氣球分為多組，即主氣球A組與主氣球B組與副氣球若干組；每組氣球組由若干個氣球組成，簡稱單元氣球，採用類似動物肺部氣管的肺管式氣管將單元氣球聯接到總氣管。肺管式氣管與總氣管有兩套，一套是充氣氣管，另一套是排氣氣管。
所有支氣管末端與氣球的聯接，均採用類似自行車、汽車胎的雞腸氣門芯聯接。凡是氣進入氣球的通道，氣門芯出口在氣球內；凡是氣流出氣球的通道，氣門芯出口在氣球外。充氣泵進口還有一根帶可控氣閥的分支管，作為外界氣源進氣的管道。
各單元氣球及其相連的末端支氣管，其特徵是每個單元氣球內都裝有對一定濃度空氣成分氣體敏感的空氣氣敏傳感器；每個單元氣球相連末端支氣管均有可自控開閉的截止氣閥，截止氣閥的開閉受飛行器自動控制系統和駕駛指令控制。
動力裝置中的電動機有3種，即主、副氣球之間充氣的充氣泵電動機(以下簡稱充氣電動機)、推動螺旋漿推進器的電動機(以下簡稱推進電動機)，推動產生「調控飛行氣流」的氣泵的電動機(以下簡稱氣流電動機)。
其結構由管材構架和板材或薄膜蒙皮組成，並形成聯為一體的3個艙室即氣球艙、機艙、座艙，軟體氣球置於氣球艙內。飛行器外殼有防靜電塗層。
裝有固定在「飛行器的骨架外殼」或「與飛行器骨架、外殼相連接的附屬結構」上的螺旋漿推進器。
最底層支氣管(末端支氣管)接單元氣球，最底層支氣管設可自控開閉的截止氣閥，截止氣閥的開閉受飛行器自動控制系統和駕駛指令控制。每個單元氣球內都裝有對一定濃度空氣成分氣體敏感的空氣氣敏傳感器。控制截止氣閥開閉的原則是同一組氣球充、放氣各氣球氣壓應均勻；氣球破裂時空氣進入氣球，單元氣球的空氣氣敏傳感器發出信息，此信息通過自動控制系統控制該氣球的末端支氣管截止氣閥關閉，截止該氣球的充、放氣流。
本發明的目的是這樣實現的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船(以下簡稱本發明)是一種採用比重輕於大氣的氣體產生浮力，航行於大氣屋中的飛行器，其特徵是它採用的比重輕於大氣的氫氣球和飛行器的其他部分之間設置有隔離燃燒、高溫的防火屏障，並且裝備有氫氣球燃燒引起高溫情形氫氣球自動脫離飛行器其餘部分的自動保護裝置。除了具有產生浮力的氫氣球之外，還具有在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構。
本發明的飛行器的在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構，其特徵是它既可以是常設的充氦氣氣球；又可以是在氫氣球脫離飛行器情形可被相對上升的空氣流自然鼓起的備用充氣傘形囊，傘形囊球帶形下底面固定在飛行器圓周骨架上，球帶形下底面內圓之間有較大面積作為傘形囊內部和外界空氣相通的孔洞，傘形囊球冠上頂蓋平時摺疊在下底面上、處於不充氣狀態。固定傘形囊球帶形下底面的飛行器圓周骨架，和飛行器機艙、座艙骨架連為一體。
本發明的飛行器的產生浮力的氫氣球，其特徵是它既可是以懸掛於飛行器其餘部分頂部上空由若干氫氣球組合而成的獨立氫氣艙；又可是與飛行器其他部分鄰接的、由若干氫氣球組合而成的相連氫氣艙。
本發明的飛行器的產生浮力的氫氣球和飛行器的其他部分之間設置的隔離燃燒、高溫的防火屏障，其特徵是當氫氣球是以懸掛於飛行器其餘部分頂部上空由若干氫氣球組合而成的獨立氫氣艙時，以氫氣艙與飛行器其他部分之間的分隔空間為隔離燃燒、高溫的防火屏障；當氫氣球是與飛行器其他部分鄰接的、由若干氫氣球組合而成的相連氫氣艙時，以氫氣艙與飛行器其他部分之間的、用防火滅火材料組成的間隔牆體作為防火屏障。
本發明的飛行器的氫氣球與飛行器其餘部分之間的高溫自動脫離保護裝置，其特徵是當氫氣球與飛行器其餘部分以分隔空間作為一個保護屏障情形，採用一定溫度可燃，在高溫時可自動切斷的材料，作為氫氣球與其他部分的連接繩索；當氫氣球組成氫氣艙與飛行器其餘部分以防火隔牆作相互屏障情形，採用以氫敏、熱敏元件起動的脫扣機構，用以在氫敏、熱敏起動時，解除氫氣艙與飛行器其餘部分的整體連接。
本發明飛行器的在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構，其特徵是當它為常設的充氦氣氣球情形，氦氣球由兩組主氣球、一組副氣球構成，由自動控制系統調節各組氣球之間的氣量分配；當它為備用充氣傘形囊情形，氫氣球由兩組主氣球、一組副氣球構成，由自動控制系統調節各組氣球之間的氣量分配。
本發明的飛行器所使用的作為產生動力的燃料的氫能，其特徵是氫能作為燃料的利用方式可以是將氫氣用作內燃機的燃料；或將氫能經氫燃料電池變挽為電能；或除使用氫氣球中的氫能作動力燃料外，還利用太陽能變換的氫能或電能為能源。
本發明的飛行器所使用的作為產生動力的燃料的氫能的利用方式，其特徵是發動機可採用氫氣噴氣發動機；或為採用內燃機，燃料電池、電動機為發動機，帶動螺旋漿作為航行的推進器。調控浮力氣體在不同氣球之間分布的充氣泵，由內燃發電機組和燃料電池所發的電力驅動的電動機帶動。當航行推進器採用內燃機推動時，飛行器的調控飛行氣流的氣流泵，由另設的氫能內燃機帶動。
本發明中當充氣泵用於調控氫氣分布時，該充氣泵及其電動機裝在機艙內，由機艙內的內燃發電機組供電，受飛行器自動控制系統或駕駛指令控制。
本發明中，在氫氣球脫離飛行器情形，可產生浮力的充氣機構為備用充氣傘形囊時，氫氣艙的最大直徑骨架圈以下部分不再設主要承重骨架。
飛行器結構材料均為阻燃防火材料。飛行器外殼有防靜電塗層。
本發明的飛行器所的氫氣艙，其特徵是氫氣艙內的所有控制電路及其它電路均為防爆等級，開關電器為無觸點開關，導線接頭為焊接，控制電機為無火花感應電機。
本發明因裝載大量可燃氣體，故起降、停泊場地應遠離居民、鬧市區，或採用高架起降、停泊空港。
本發明沿用現有發明「太陽能可控浮力、自控穩衡氦氣藍天飛船」中的可調控浮力，自控穩衡技術。即採用充氣泵調控浮力氣體在氣球間的分布以實現調控浮力；以計算機或電子控制系統調控氣流泵噴出氣流的位置、強度以自動控制飛行的穩衡。
本發明的充氣泵在兩組主氣球之間調配氣體是為著調控升降，在主氣球和副氣球之間調配氣體是為著調控與飛行海拔高度相適應的浮力氣體體積。
四
圖1為本發明外觀主視圖，圖2為本發明圖1外觀前視3本發明圖1的外觀仰視4為本發明採用獨立氫氣艙、備用充氣傘形囊，空間分隔屏障，推進器使用噴氣發動機的外觀主視5為圖4的外觀仰視圖五具體實施方式
本發明的第一實施例為採用圍繞在飛行器其他部分周圍的、由若干氫氣球組合而成的氫氣艙，除氫氣球外的其他產生浮力的充氣機構是充氦氣氣球，以氫氣艙與氦氣球之間的、用防火滅火材料組成的間隔牆體作為防火屏障。
本發明的第一實施例沿用現有發明「太陽能可控浮力、自控穩衡氦氣藍天飛船」的結構為氦氣球浮力調控是運用電子控制系統或電腦程式控制調節氦氣在不同氦氣球之間的不同密度，壓力分布實現的；其自控穩衡是運用電子控制系統或電腦程式控制「調控飛行氣流氣泵」噴射到外界的氣流的分布、強度實現的。
充氦氣氣球均為彈性膜製作的軟體氣球，這些氣球分為多組，即主氣球A組與主氣球B組與副氣球若干組。每組氣球組由若干個氣球組成(以下簡稱單元氣球)，採用類似動物肺部氣管的肺管式氣管將單元氣球聯接到總氣管。肺管式氣管與總氣管有兩套，一套是充氣氣管，另一套是排氣氣管。
各總氣管、支氣管的特徵是所有支氣管末端與氣球的聯接，均採用類似自行車、汽車胎的雞腸氣門芯聯接。凡是氣進入氣球的通道，氣門芯出口在氣球內；凡是氣流出氣球的通道，氣門芯出口在氣球外。充氣泵進口還有一根帶可控氣閥的分支管，作為外界氣源進氣的管道。
本發明的各單元氣球及其相連的末端支氣管，每個單元氣球均有各自的電子氣壓計；每個單元氣球相連的末端支氣管均有可自控開閉的截止氣閥，截止氣閥的開閉受飛行器自動控制系統和駕駛指令控制。每個單元氣球內都裝有對一定濃度空氣成分氣體敏感的空氣氣敏傳感器。控制截止氣閥(JF)開閉的原則是同一組氣球充、放氣各氣球氣壓應均勻；氣球破裂時空氣進入氣球，單元氣球的空氣氣敏傳感器發出信息，此信息通過自動控制系統控制該氣球的末端支氣管截止氣閥(JF)關閉，截止該氣球的充、放氣流。
氣球艙的外形為上直徑30米，下直徑6米，厚5米的倒置球檯；氣球艙底與上部長5米、下部長4米、寬2米、高1米的機艙相連接；機艙下底與上部長4米，下部長3.5米，寬2米、高2米的座艙相連接。座艙下底沿長度前3米範圍，另附設裝有長寬同座艙下底，高0.5米的軟氣墊囊。機艙、座艙沿長度方向的兩端分別定義為飛行器前、後端(本說明書中的「前」「後」的含義都與此一致)。機艙上頂前、後端與氣球艙前、後側面的連接面，機艙上頂與下底的連接面，座艙上頂與下底的連接面均為光滑曲面；其中機艙上頂前、後端與氣球艙前、後側面連接的過渡曲面上緣，延伸至氣球艙直徑10米截面位置。此外，在上述結構基礎上，機艙、座艙再另外做出沿長度方向向後延伸的錐形尾1米長(機艙後端上部的延伸過渡曲面不再重複向後延伸)；機艙與座艙後端的錐形尾後緣裝有可用電信號控制的尾舵。
氣球艙、機艙、座艙採用碳纖維複合材料管材或芳綸纖維複合材料管材製作一體化的整體骨架，以同樣材料的板材作為機艙、座艙外壁，氣球艙表面、分艙間間隔採用聚酯薄膜或其他高強度膜作蒙皮。氣球艙頂部分面積鋪設板材。沿機艙、座艙寬度方向，從機艙、座艙左、右側面各伸出2米長的機翼，亦由與機艙骨架、外壁相同的材料製作其骨架、外殼。機翼端部與氣球艙側面經過過渡曲面相連。機翼厚0.3米、寬1米，橫截面的前後部為曲線並與上、下成光滑連接(截面成飛機翼流線型)。機翼長和機艙、座艙長度方向垂直，機翼寬度中心面對齊機艙長度中心面，機翼厚度中心面對齊機艙、座艙交界面。兩機翼後方均裝有可用電信號控制的升降舵。
左右機翼各裝有推進內燃機及其帶動的螺旋漿推進器一部。螺旋漿用碳纖維或滌淪複合材料製成(為空心殼)。螺旋漿在前方，內燃機及其螺旋漿置於左右機翼的圓柱體發動機室之中；發動機室嵌在左右機翼沿機翼長中心位置，經光滑過渡曲面與機翼表面相連。發動機室尾部呈錐形。發動機室的骨架、蒙皮材料與機翼相同。螺旋漿旋轉直徑為1.4米至1.8米。左、右發動機室至左、右機翼沿機翼長遠端之間的機翼段的前方、後方、上方、下方位置以及機翼端與氣球艙相連的過渡曲面上，各設置有帶可控氣閥的噴氣嘴(兩個機翼、5個方位共10個機翼噴氣嘴)。機翼左、右各噴氣嘴的可控氣閥另一端和左、右機翼的調控氣流管道聯接，左、右調控氣流管道匯合後通向機艙內的「調控飛行氣流」氣泵(簡稱氣流泵)的出氣端；該氣流泵的進氣端由管道通向進氣口，進氣口開在機艙前端、後端兩處，通過可控氣閥切換。
氣球艙前、後側面側面與機艙前、後側面相連的過渡曲面上；亦各有一個帶可控氣閥的噴氣嘴(氣球艙頂及側面噴氣嘴共合有3個)，都分別與各自的調控氣流噴氣管道聯接，各噴氣管道匯合後通向氣流泵的出氣端。氣流泵的兩個進氣口也做成噴氣嘴，通過氣流泵可控氣閥切換進氣或噴氣。氣球艙頂噴氣嘴向上噴氣，氣球艙側面前、後噴氣嘴向下噴氣。
氣流泵的內燃機功率為20馬力，氣流泵的出氣端還連有供給艙內交換空氣的小氣管。
主氣球A艙B艙、副氣球艙，這3個氣球分艙中的每1個都容納27個單元氣球，它們的充氣體積相等，大部分氣球充氣後為立方體形，少部分分艙邊界附近的氣球形狀可隨邊界呈不規則形狀。單元氣球膜用高強度高彈性低密度薄膜材料製作。各氣球分艙內除裝設有保證艙室機械強度的艙內支撐構件(用管材充當)外；還裝設有分隔單元氣球空間的氣球安裝構件(用截面較細的管材充當)，每個單元氣球均懸掛於相應所分隔的空間頂部的構件上。一部分單元氣球具有平時嚴格密封緊急時可以人工手動打開的緊急放氣嘴。各氣球分艙在水平方向的中心均有一正方截面通道，所有通道連為一體、並進入機艙，在座艙頂開口，作為管道、電路、人員通過的空間；該通道再用縱向間隔分開，分別供管道、電路和人員通過該通道(以下簡稱通道)。通道與各艙、分艙之間均有向通道內開啟的門。
座艙底的軟氣墊囊為上端固定於座艙底的軟氣囊，容積為3×2×0.5＝3立方米，容納兩層共8個長方體形單元空氣袋，它們採用類似於氣球組與充氣泵連接的方式，通過肺管式氣管系統及總管可控氣閥與氣流泵相連；其氣管系統亦分為充氣管系統、排氣管系統，其總氣管繞過座艙尾部夾層進入機艙。
飛行器結構的非整體構件之間的聯接主要採用鉚釘聯接，在必要時少數聯接採用螺檢聯接。飛行器結構的構件密度、構件管材截面、結構蒙皮的截面，鉚釘、螺檢截面均由飛行器載荷(靜載荷、動載荷、偶然分布載荷)以及材料機械性能，由工程力學計算確定。飛行氣球艙中充氦氣的主氣球A艙、B艙、副氣球艙，這3個氣球分艙中的每1個都容納27個單元氣球，它們的充氣體積相等，大部分氣球充氣後為立方體形，少部分分艙邊界附近的氣球形狀可隨邊界呈不規則形狀。單元氣球膜用高強度高彈性低密度薄膜材料製作。各氣球分艙內除裝設有保證艙室機械強度的艙內支撐構件(用管材充當)外；還裝設有分隔單元氣球空間的氣球安裝構件(用截面較細的管材充當)，每個單元氣球均懸掛於相應所分隔的空間頂部的構件上。一部分單元氣球具有平時嚴格密封緊急時可以人工手動打開的緊急放氣嘴。各氣球分艙在水平方向的中心均有一正方截面通道，所有通道連為一體、並進入機艙，在座艙頂開口，作為管道、電路、人員通過的空間；該通道再用縱向間隔分開，分別供管道、電路和人員通過該通道(以下簡稱通道)。通道與各艙、分艙之間均有向通道內開啟的門。
座艙底的軟氣墊囊為上端固定於座艙底的軟氣囊，容積為3×2×0.5＝3立方米，容納兩層共8個長方體形單元空氣袋，它們採用類似於氣球組與充氣泵連接的方式，通過肺管式氣管系統及總管可控氣閥與氣流泵相連；其氣管系統亦分為充氣管系統、排氣管系統，其總氣管繞過座艙尾部夾層進入機艙。
飛行器結構的非整體構件之間的聯接主要採用鉚釘聯接，在必要時少數聯接採用螺檢聯接。飛行器結構的構件密度、構件管材截面、結構蒙皮的截面，鉚釘、螺檢截面均由飛行器載荷(靜載荷、動載荷、偶然分布載荷)以及材料機械性能，由工程力學計算確定。
氣球艙頂可兼作為供乘員觀光的甲板，甲板邊緣有可遙控的自動升降護欄杆，登甲板者均配有安全帶固定於「甲板「。
機艙內主要設備有氣流泵，充氣泵，氣閥，蓄電池組，控制櫃設備，通信設備，計算機、空調機。充氣泵電動機功率為1千瓦至3千瓦。空調機用氣流泵管道系統引出的2根分支氣管進氣和出氣。
本發明的飛行器還裝備以下傳感設備前後、左右水平傾斜度傳感器(均採用連通管液面繼電器)，飛行速度及方向傳感器，若干個加速度傳感器(採用應力敏感材料將加速度產生的應力變換為電信號)，若干個距地面高度或距各個方向鄰近障礙物距離傳感器(採用雷射測距或超聲波測距裝置)，若干個環境氣壓與風速傳感器(風速傳感器裝在機翼端與氣球艙聯接段、機艙前端、尾端等處)，若干個環境靜電傳感器、機電設備狀態傳感器、若干個外景攝象頭錄音頭。
座艙前部為駕駛位，駕駛員操縱基本設備為方向盤(方向盤上抬、下壓控制飛行器上升、下降運動)，控制屏控制屏上有多個控制鍵，調速手輪(切換多用)，儀表和腳踏剎車器，若干個平板顯示屏，視頻頭，話筒，揚聲器；控制屏抽屆中有可以抽出的計算機鍵盤、滑鼠。
座艙內物品儘量用非金屬彈性材料。座艙內容積(未包含錐形尾)為長2.5米，寬1.8米，高1.8米。沿長度方向設置3排座椅。前排為駕駛位及兩旁可翻起式座椅。中排為乘客座位及可翻起式座椅；後排為臥席，臥席底部為食物、水、水籠頭、高空工作服等用具貯藏箱。中排座椅靠背與椅下前側板結構相同，均可翻動為靠背(帶與翻起座椅相應的，可翻開、收起的延長靠背)、側板、床板，中排座椅還可整體前後移。艙左、右壁有可翻起桌面。座艙密封，空調機的內連、排氣孔在座艙頂部前、後端開口。後排臥席之後有門通向座艙錐形尾部分空間的門，由門可進入座艙錐形尾空間(長1米，高1.8米，寬由2米收縮至零)中的衛生間，衛生間馬桶直接向空中排放。衛生間的門與馬桶應分別在寬度方向的兩端。小型內燃發電機(容量約1千瓦至3千瓦)、從機艙尾錐空間穿入座艙尾錐空間，外界氣源進氣管道，外界充電電源及給水亦在此接口。座艙並附有軟梯。
本發明的飛行器採用裝備專用應用軟體的計算機進行控制(但電氣設備再備用一套不經計算機的直控系統)，執行器採用多級固態繼電器，固態繼電器與計算機I/O接口之間用專用編碼器(集成電路)、解碼器(集成電路)、信道連接。終端固態繼電器控制各電動機，各電動可控氣閥，各輔助操縱的伺服微電動機。各種傳感器信號採用信息處理器，將模擬信息變為數位訊號的信息處理電路變為數位訊號，再經編碼器編碼後，進入計算機I/O接口。編碼器、解碼器、信息處理器、固態繼電器均在控制櫃中。
本發明的飛行器裝備有無線電遙控器，遙控器可以代替駕駛操縱設備使駕駛員處在飛行器的任何部位進行駕駛操作。
本發明的飛行器駕駛控制與自動控制的主要控制系統如下
(1)速度控制由駕駛員的飛行速度指令(或預設程序)和傳感器的飛行速度信息，變換為推進電動機的調速指令(加速、減速、停止)。
(2)方向控制由駕駛員的飛行方向指令(或預設程序)和傳感器的飛行方向信息，變換為尾舵運動指令。
(3)直行自控由傳感器的加速度信息，變換為左、右推進電動機的差異調速指令(實(4)高度控制由駕駛員的飛行高度指令(或預設程序)和傳感器的飛行高度信息，變換為充氣電動機的起動指令和相應可控氣閥的開、關指令。
(5)平穩自控由傳感器的飛行傾斜信息、風速信息，變換為氣流泵的起動指令及相應可控氣閥的開、關指令(實現平穩飛行)和水平舵運動指令。
(6)避讓(又分為避讓、剎車)自控由傳感器的距障礙物信息(包括地面)和整定的安全距離信息，變換為推進內燃機、氣流泵、充氣泵的起動調速指令及相應可控氣閥的開關指令，即對原來運動速度、方向的合理修改指令。當駕駛指令及電氣設備直控指令與避讓指令不一致時控制系統機制保證服從後者。(7)電氣設備電流、電壓、熱保護，及其他安全保護自動控制系統。
(8)無人駕駛自動飛行控制在無駕駛指令時，自動將駕駛指令信道切換到自動飛行信息整定設備(也是一種信息處理器)，這時飛行器按原行方向、速度、高度飛行並進行直行自控，平穩飛行自控、避讓自控。若方向、速度、高度發生漂移，則有兩種方式消除漂移，跟隨漂移。
本發明的第一實施例運用本發明技術特徵的結構則可參照圖1、圖2、圖3QC為氫氣艙；HC為氦氣艙；J為機艙；Z為座艙；Y為機翼；L為螺旋漿推進器；R為軟氣墊囊；W為座艙後尾錐；D為尾舵。C為氣球艙(包括氫氣艙、氦氣艙)。
氣球艙由氫氣艙(圖中為QC)，氦氣艙(圖中為HC)組成；氦氣艙由氦氣主氣球A艙，氦氣主氣球B艙，氦氣副氣球艙組成。氣球艙為上大下小的倒置圓臺形，其中氫氣艙位置在氣球艙圓臺的高2.5米，直徑24米內接圓柱體側面外的一圈邊緣區域；氣球艙其餘區域，則按高度由上至下布置氦氣主氣球A艙，氦氣主氣球B艙，氦氣副氣球艙。動力為氫能內燃發動機推動的螺旋槳推進器(L)。
本實施例的氫氣球與飛行器其餘部分的故障時自動脫離機構如下所述，參照附圖1在氦氣艙頂面，沿徑向按圓周均勻分布伸出4根管材構件，即附圖1中的CL，擋在氫氣艙頂，作為平時使氫氣艙、氦氣艙連為一體的結合承力部件(以下簡稱為承力梁)。每個承力梁均有一個可轉動軸，平時被鎖住而無法自由轉動。一旦氫氣球發生燃燒，漏氣、高溫時，布置在氫氣艙若干地點的熱敏元件、煙敏元件、氫敏元件將發出故障信息。並經控制器將此信息轉變為承力梁轉動軸套鎖扣釋放指令，使平時被鎖住的承力梁變為可自由轉動，從而使承力梁在浮力作用下發生翻起的轉動，進而放開整個氫氣艙，實現氫氣艙上浮，脫離氦氣艙和飛行器其餘部分。
本實施例在氫氣艙頂部中心設置一個可向上噴氣的備用噴氣發動機。該噴氣發動機既可通過遙控設備受機艙自動控制系統和駕駛控制指令控制，由微型可充電電池、小型氫能燃料電池供給該噴氣發動機電火、起動、運行控制、停機控制所需的能量；又可用無觸點開關、焊接接線端有線電路，供給電能和進行控制。
第二實施例採用獨立氫氣艙、備用充氣傘形囊，空間分隔屏障，推進器使用噴氣發動機，參照附圖4(外觀主視圖)、附圖5(外觀仰視圖)圖中氣球艙即是氫氣艙，QC為氫氣艙；J為機艙；Z為座艙；R為軟氣墊囊；SN為傘形囊；SG為傘形囊底面固定骨架；SS為懸氫氣艙繩索；P為燃燒氫氣的噴氣發動機。
本施例為以懸掛於飛行器其餘部分頂部上空的、由若干氫氣球組合構成的獨立氫氣艙(QC)為產生主要浮力的機構除氫氣球外的其他產生浮力的備用充氣機構是下部與外界有連通氣道的傘形囊，傘形囊上頂面為球冠、下底面為球帶；以懸掛於傘形囊底面固定骨架(SG)上的氣球艙和傘形囊的分隔空間作為防火屏障。
傘形囊底面固定骨架的外形同第一實施例的氣球艙側面骨架。氫氣艙的形狀為上部為直徑30米、高3米的球缺，下部為大底直徑30米、高5米、小底直徑6米的倒置球檯，其下底面和傘形囊底面固定骨架面相同。氫氣艙懸在傘形囊及傘形囊底面固定骨架上方，用懸艙繩索(S)懸掛於傘形囊頂面與底面交界處的環形固定骨架上。氫氣艙分為氫氣主氣球A艙，氫氣主氣球B艙，氫氣副氣球艙，由氫氣管道系統與機艙中的充氣泵相通。氫氣管道系統的結構和第一實施例氦氣管道系統結構相似；但可以遠比其氦氣管道系統結構簡單。
懸掛氫氣艙的繩索為不耐高溫可燃性材料，當氫氣球發生燃燒、發生高溫故障時它可自動燃斷；但在工作溫度下該索具有足夠的機械強度。懸掛氫氣艙的繩索雖然有多個受力繩索段和懸掛點；但卻是由一根連續繩索穿過許多吊環連接而成為一個簡單閉合線，只要有一處斷開就會整個解開。
為了防止無燃燒、高溫故障時因繩索意外機械斷裂丟失氫氣艙，氫氣艙下底中心再增加懸掛一根保險繩索，保險繩索另一端從小孔穿過傘形囊上底中心，繞在機艙內的保險繩索卷揚機上。當無燃燒、高溫故障時氫氣艙邊緣懸掛繩索意外機械斷裂時，保險繩索卷揚機可在自控或人控作用下收卷保險繩索，拉回氫氣艙，然後修復氫氣艙邊緣懸掛繩索。
本實施例在第一實施例的基礎上，將機艙(圖中為J)、座艙(圖中為Z)由長形改為圓盤形。即機艙為上直徑7米、下直徑5米、高1米的倒置圓臺；座艙為上直徑5米，下直徑4米、高2米的倒置圓臺；軟氣墊(圖中為R)為直徑4米，高0.5米的圓柱體。氣球艙、機艙、座艙之間以光滑過渡曲通連接，使整個飛行器成為平頂、弧底的碟形物體。飛行器不再設機翼、尾錐；發動機為機艙側面均勻分布的若干個(例如3至4個)燃燒氫氣的噴氣發動機(圖5中為P)，噴氣發動機的噴嘴為可自動控制、改變噴氣流強度、方向的自控噴嘴。每個發動機動率為20至40馬力。它可使用氫氣球中的絕大部分氫氣為能源。
本實施例的調控氫氣在不同氫氣球間分布的充氣泵由電動機帶動，充氣泵及其電動機在機艙內，充氣泵電動機的電力由機艙中的氫能內燃機發電機組供給。本實施例不設氣流泵，但在氫氣艙頂部中心設置一個可向上噴氣的備用噴氣發動機。該噴氣發動機既可通過遙控設備受機艙自動控制系統和駕駛控制指令控制，由微型可充電電池、小型氫能燃料電池供給該噴氣發動機電火、起動、運行控制、停機控制所需的能量；又可用無觸點開關、焊接接線端有線電路，供給電能和進行控制。
本發明的第三實施例為將第一實施例中作為「在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構」的常設氦氣球改變為「下部與外界有連通氣道的備用充氣傘形囊」。氣球艙由相連氫氣艙和傘形囊組成。
本實施例的氫氣艙形狀同第二實施，其最大直徑外徑略小於「傘形囊頂面與底面交界處的環形固定骨架」的內徑，剛好放進後者之中。在「傘形囊頂面與底面交界處的環形固定骨架」上，沿徑向按圓周均勻分布伸出若干根管材構件，即附圖4中的CL，擋在氫氣艙的外徑骨架上，作為平時使氫氣艙、氦氣艙連為一體的結合承力部件(以下簡稱為承力梁)。每個承力梁均有一個可轉動軸，平時被鎖住而無法自由轉動。一旦氫氣球發生燃燒，漏氣、高溫時，布置在氫氣艙若干地點的熱敏元件、煙敏元件、氫敏元件將發出故障信息。並經控制器將此信息轉變為承力梁轉動軸套鎖扣釋放指令，使平時被鎖住的承力梁變為可自由轉動，從而使承力梁在浮力作用下發生翻起的轉動，進而放開整個氫氣艙，實現氫氣艙上浮，脫離氦氣艙和飛行器其餘部分。
本實施例氫氣艙分為氫氣主氣球A艙，氫氣主氣球B艙，氫氣副氣球艙。氫氣管道系統的結構和第一實施例氦氣管道系統結構相似；但可以遠比其氦氣管道系統結構簡單。動力為氫能內燃發動機推動的螺旋槳推進器。其餘結構基本上和第一實施例相同。
本發明的第四實施例為氣球艙和第二實施例相同，即氣球艙包括獨立氫氣艙和傘形囊，飛行器其餘部分則和第一實施例相同。
本發明的第五實施例為氣球艙和第一實施例相同，即氣球艙由氫氣艙，氦氣主氣球A艙，氦氣主氣球B艙，氦氣副氣球艙組成；飛行器其餘部分則和第二實施例相同，即採用圓盤形機艙、座艙和噴氣發動機。
本發明的第六實施例為氣球艙和第三實施例相同，即氣球艙由相連氫氣艙和傘形囊組成；飛行器其餘部分則和第二實施例相同，即採用圓盤形機艙、座艙和噴氣發動機第七實施例方案是在前述實施例的基礎上，將第一、第三實施例的螺旋槳及其內燃機換為同一位置的機翼噴氣發動機主機，將各調控飛行氣流的氣流泵噴嘴換為小型噴氣發動機(含原先的飛行器頂部的備用噴氣發動機)，但每個機翼的小型噴氣發動機合併為機翼噴氣發動機輔機，從原氣流泵、噴嘴位置分流噴氣；所有噴氣發動機的噴嘴均為可自動控制、改變噴氣流強度、方向的自控噴嘴。其餘結構不變第八實施例方案則是在前述實施例的基礎上，在飛行器最上部的艙頂鋪設太陽能電池60千瓦，或太陽能—氫能轉換器若是鋪設太陽能電池，則發動機改為相應功率電動機，氣流泵電動機單獨設置，氫氣球中的氫氣不再作為能源。若是鋪設太陽能—氫能轉換器，則仍採用氫能內燃機作為發動機。太陽能—氫能轉換器可補充氫氣球中消耗的氫能。太陽能制氫時，需要將飛行器處於適當高度與氣象條件下，以取得大氣中的水蒸汽作為制氫原料。
第九實施方案為將前述實施例的氣球艙(指氫氣艙、氦氣艙、傘形囊形成的總體形體)的外觀造型改變為球體，但該球體下切去一小塊球缺(球缺高度遠小於球的直徑)，切出的截面作為飛行器機艙的上頂面。基本為球體的氣球艙上部為氫氣艙，下部為傘形囊或氦氣艙。上部和下部的連接按第二實施例的結構。當下部為傘形囊時上部體積大於下部；當下部為氦氣艙時上部體積小於下部。若採用氫氣噴氣發動機，機艙、座艙為圓盤形；若採用氫內燃機帶動螺旋槳推進器，機艙、座艙、機翼形狀同第一實施例。氣球艙頂的可向上噴氣的備用氫能噴氣發動機及其附屬設備和第一、第二實施例相同。
第十實施方案為將前述實施例的氣球艙(指氫氣艙、氦氣艙、傘形囊形成的總體形體)的外觀造型改變為傳統飛艇所採用的橄欖形，尾部有尾舵，下部連接機艙、座艙。氣球艙上部為氫氣艙，下部為傘形囊或氦氣艙。上部和下部的連接按第一實施例的結構。當下部為傘形囊時上部體積大於下部；當下部為氦氣艙時上部體積小於下部。機艙、座艙、機翼、發動機、螺旋槳、調控飛行氣流噴嘴的結構、位置可以和第一實施例相似；也可以將機艙、座艙改變為傳統飛艇常用的近於長方的船形艙、不設機翼，這時發動機仍採用氫內燃機帶動螺旋槳推進器，螺旋槳可以裝設在機艙、座艙前端或後端、或裝設在氣球艙尾端，調控飛行氣流噴嘴可分布在機艙、座艙周圍和氣球艙適當位置。氣球艙頂的可向上噴氣的備用氫能噴氣發動機及其附屬設備和第一、第二實施例相同。
本發明還可以有採用不同與前述實施例外觀造型的其它外觀造型的實施例。本發明所有實施例的外觀造型還應當通過空氣動力學計算、試驗後，進行一定的調整。
本發明在航空中的實際應用，一方面將因以氫氣取代氦氣產生浮力大大降低浮力氣體的成本；但卻因完善的氫氣球故障脫離裝置和氦氣艙、傘形囊等輔助浮力裝置，從根本上消除了運用氫氣可能帶來的因燃燒而墜落的危險；另一方面將因在飛行器中採用氫能這一方便而無汙染的能源，從根本上消除飛行對大氣的汙染。
在目前石油緊缺並即將枯竭的形勢下，運用計算機自動控制的浮力氣球，藍天船將以其高度安全、節約化石能源、消除汙染，而成為一種更加優越的航空工具，使人類獲得不依賴於石油能源的一個新的藍天飛行時代。本發明在確保安全的獨特技術構思下，採用氫氣取代氦氣作為浮力氣體，則促進了一類更廉價的浮力氣體藍天飛船，從而擁有更廣闊的應用前景。
本發明使用氫能作為發動機的燃料、能源，較之使用太陽能又具有航行不受天氣和晝夜限制、連續航程遠、航速高等顯著優點。而氫能又是可以用太陽能方便製取的可在生能源。本發明採用氫能作能源，以方便的方式攜帶、使用氫能，為航空業運用綠色、可再生能源開闢了廣闊前景。
權利要求
1.安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，至少設有兩組浮力氣體容器——軟體氣球或軟體、硬體氣球，不同氣球組之間由管道連接，在管道上串聯壓力泵、即充氣泵和充放氣閥門，依靠充氣氣球產生浮力，浮力氣體在充氣泵壓力作用下實現在不同氣球組的不同壓力、密度分布，從而自動控制浮力；浮力裝置下部連接載人或載人兼載物容器，其特徵是浮力調控是運用電子控制系統或電腦程式控制調節浮力氣體在各組氣球之間的不同密度，壓力分布實現的；其特徵是浮力氣球採用的比重輕於大氣的氫氣球，與飛行器的其他部分之間設置有隔離燃燒、高溫的防火屏障，並且裝備有氫氣球燃燒引起高溫情形氫氣球自動脫離飛行器其餘部分的自動保護裝置；除了具有產生浮力的氫氣球之外，還具有在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構。
2.由權利要求1所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是飛行器的在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構的結構是它既可以是常設的充氦氣氣球；又可以是在氫氣球脫離飛行器情形可被相對上升的空氣流自然鼓起的備用充氣傘形囊，傘形囊球帶下底面固定在飛行器圓周骨架上，球帶形下底面內圓之間有較大面積作為傘形囊內部和外界空氣相通的孔洞，傘形囊球冠上頂蓋平時摺疊在下底面上、處於不充氣狀態；固定傘形囊球帶下底面的飛行器圓周骨架，和飛行器機艙、座艙骨架連為一體。
3.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是浮力氣球是以懸掛於飛行器其餘部分頂部上空由若干氫氣球組合而成的獨立氫氣艙；或是與飛行器其他部分鄰接的、由若干氫氣球組合而成的相連氫氣艙。
4.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是飛行器的產生浮力的氫氣球和飛行器的其他部分之間設置的隔離燃燒、高溫的防火屏障的結構是當氫氣球是以懸掛於飛行器其餘部分頂部上空由若干氫氣球組合而成的獨立氫氣艙時，以氫氣艙與飛行器其他部分之間的分隔空間為隔離燃燒、高溫的防火屏障；當氫氣球是與飛行器其他部分鄰接的、由若干氫氣球組合而成的相連氫氣艙時，以氫氣艙與飛行器其他部分之間的、用防火滅火材料組成的間隔牆體作為防火屏障。
5.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是浮力氫氣球與飛行器其餘部分之間的高溫自動脫離保護裝置的結構是當氫氣球與飛行器其餘部分以分隔空間作為一個保護屏障情形，採用一定溫度可燃，在高溫時可自動切斷的材料，作為氫氣球與其他部分的連接繩索；當氫氣球組成氫氣艙與飛行器其餘部分以防火隔牆作相互屏障情形，採用以氫敏、熱敏元件起動的脫扣機構，用以在氫敏、熱敏起動時，解除氫氣艙與飛行器其餘部分的整體連接。
6.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是浮力氣球為常設的充氦氣氣球情形，氦氣球由兩組主氣球、一組副氣球構成，由自動控制系統調節各組氣球之間的氣量分配；當它為備用充氣傘形囊情形，氫氣球由兩組主氣球、一組副氣球構成，由自動控制系統調節各組氣球之間的氣量分配。
7.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是氫能作為燃料的利用方式可以是將氫氣用作內燃機的燃料；或將氫能經氫燃料電池變換為電能；或除使用氫氣球中的氫能作動力燃料外，還利用太陽能變換的氫能或電能為能源。
8.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是設調控浮力氣體在不同氣球之間分布的充氣泵，由內燃發電機組和燃料電池所發的電力驅動的電動機帶動。當航行推進器採用內燃機推動時，飛行器的調控飛行氣流的氣流泵，由另設的氫能內燃機帶動。
9.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是飛行器結構材料均為阻燃防火材料。飛行器外殼有防靜電塗層。
10.由權利要求1或2所述的安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，其特徵是氫氣艙內的所有控制電路及其它電路均為防爆等級，開關電器為無觸點開關，導線接頭為焊接，控制電機為無火花感應電機。
全文摘要
安全氫氣浮力、氫能燃料藍天飛船，它採用氫氣產生浮力，並使用氫能作為產生動力的燃料；浮力氣球採用的比重輕於大氣的氫氣球，與飛行器的其他部分之間設置有隔離燃燒、高溫的防火屏障，並且裝備有氫氣球燃燒引起高溫情形氫氣球自動脫離飛行器其餘部分的自動保護裝置；除了具有產生浮力的氫氣球之外，還具有在氫氣球脫離飛行器情形可產生浮力的充氣機構。並且裝備有氫氣球燃燒引起高溫情形氫氣球自動脫離飛行器其餘部分的自動保護裝置。本發明採用氫氣取代氦氣作為浮力氣體，採用氫能作能源，不僅降低成本，而且為航空業運用綠色、可再生能源開闢了前景。
文檔編號B64B1/00GK1718505SQ20051004122
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月28日 優先權日2005年7月28日
發明者沈驪天 申請人:南京大學