专利名称：飞船的制作方法
技术领域：
本发明涉及可在很高高度上飞行的水平稳定性提高的飞船。
背景技术：
图5A和图5B示出了现有技术的飞船1，图5A示出飞船1在低高度上飞行或停留的状态，图5B示出飞船1在很高高度上飞行或停留的状态。飞船1包括船体2、在船体2内靠飞船前端3的底部设置的前端部气囊5和靠飞船尾部4的底部设置的尾部气囊6。在船体2内部设置占有除各气囊5、6的空间之外的大部分剩余空间9的浮置气囊。在该浮置气囊中充填如He气等的轻气体。
在各气囊5、6中设有吸气和排气用的鼓风机7、8。该鼓风机7、8构造成可将空气吸入各气囊5、6中，并可将空气从各气囊5、6中排出，从而以使飞船前端3和飞船尾部4的质量平衡有选择地变化的方式，控制飞船1上下方向的倾斜，即控制飞船1的俯仰角。
特开平2-185894号公报公开了另一种现有技术。该现有技术示出了一种在充填有轻气体的船体中具有推进器和姿态控制机构的飞船。在该飞船中，为了改善其运动性能、减少运行成本和提高其耐大气腐蚀性，在船体中设置有充填有轻气体的浮置气囊，该船体相对于包含船轴的假想水平面和假想铅垂面在静力学上和动力学上基本上对称，并且在船体的上、下部和前、后部各设置一对气囊(即空气袋)。此外，在低速或停止时，在通过设置在尾翼上的控制翼不能控制其俯仰角、偏航角和侧滚角的情况下，推进器通过转换阀给船体内的多个气囊提供一定的空气或从船体内的多个气囊排出一定的空气。这样以调整各气囊之间的空气量、移动船体重心的方式使飞船姿态稳定。
所述图5A、图5B和特开昭2-185894号公报所示的各现有技术中，通过靠船体前端和船体尾部分别设置的气囊吸取空气或排出空气来改变飞船前后的质量平衡，从而在船轴方向上移动飞船重心位置，以这种方式控制其俯仰角姿态。但是，由于所述气囊相对于整个船体占较小体积，由所述气囊引起的重心位置的移动比较缓慢，因此不能迅速控制其俯仰角，从而出现姿态控制的应答性不好的问题。
此外，在所述各现有技术的飞船中，由于气囊设置在船体底部侧，大部分轻气体存在于船体的上部区域。因此，如果船体上部被太阳能量加热，存在于船体的上部区域的一部分轻气体变热，轻气体中出现不同的比重，从而轻气体在船体内移动。由于轻气体在船体内的移动，前后气囊变形，因此处于水平稳定状态下的飞船的质量平衡被破坏，船体开始摇摆。
由于干扰如由于太阳能量对轻气体的加热引起的船体摇摆，还会引起船体内部的轻气体和空气的流动，从而产生不希望的重心的较大移动。由于重心的移动，处于水平稳定状态下的飞船的姿态发生变化。在这些现有技术中都存在飞船的姿态稳定性低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种姿态控制的应答性和姿态稳定性提高的飞船。
本发明的飞船的特征在于，其包括具有船轴的船体；设置在船体内的、将船体内部沿船轴分割成多个隔间的隔壁；设置在各隔间的、将各隔间分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区和容纳空气的下层空气容纳区的柔性隔膜；以及设置在各隔间空气容纳区的吸气排气装置。
在本发明的飞船中，各隔壁由面临各隔间的轻气体容纳区的上层部分和面临各隔间的空气容纳区的下层部分构成，所述上层部分上设置有可通过轻气体的通气孔。
本发明的飞船的特征在于，所述隔壁的下层部分由气密板构成。
本发明的飞船的特征在于，所述隔壁的上层部分由具有多个通气孔的网状板构成。
本发明的飞船的特征在于，所述隔壁的下层部分由聚合物薄膜制成的气密板构成。
本发明的飞船的特征在于，设置有多个将船体内部分割成多个隔间的船体的隔壁，分割数目是这样确定的当船体船轴相对于水平面构成的船体倾斜角增大时，使船体恢复水平的回复力矩也随着增大，当船体倾斜角基本上为零时，回复力矩也基本上为零。
本发明的飞船的特征在于，所述船体的隔壁将船体内部分割成5个隔间。
本发明的飞船的特征在于，在隔间中还设置有基本上与船轴平行的附加隔壁，所述附加隔壁将该隔间分割成多个附加隔间。
本发明的飞船的特征在于，各附加隔壁由面临轻气体容纳区的上层部分和面临空气容纳区的下层部分构成，所述上层部分上设置有可通过轻气体的通气孔。
本发明的飞船的特征在于，所述附加隔壁的下层部分由气密板构成。
本发明的飞船的特征在于，在各附加隔间的空气容纳区中设置有吸气排气装置。
根据本发明，船体内部空间被多个隔壁在船轴方向上分割成多个隔间，各隔间被隔膜分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区和容纳空气的下层空气容纳区，另外为了容许在各上层轻气体容纳区之间通过轻气体，各隔壁具有通气孔。在所述船体中，设置有给各空气容纳区提供从外部吸引的空气、并且将在各空气容纳区中容纳的空气向外部排出的吸气排气装置。
由于在船轴方向上将船体内部空间分割成多个隔间，各隔间的下层作为空气容纳区，上层作为轻气体容纳区，从而即使飞船的运行高度被设定在平流层等很高的高度，并在易受太阳光直射的环境下的固定位置停留，且船体的上部被太阳能量加热，从而一部分轻气体被加热，轻气体也可以通过各隔壁的通气孔，在每个隔间中分别设置的轻气体容纳区域之间自由移动。另外，对在各隔间中沿船轴方向被分隔成的空气容纳区域中的空气量进行控制，迅速地使质量平衡发生很大变化，可以对飞船进行姿态控制。
根据本发明，船体内部空间被分割成多个隔间，由于所分割的隔间的数目是这样确定的使回复力矩随着船体倾斜角的增大而增大，并且当船体倾斜角基本上为零时，所述回复力矩也基本上为零，所以，不管船体以何种倾斜角倾斜，船体也能够可靠且迅速地恢复水平或基本上水平的姿态。
附图简单说明
图1A示出本发明飞船的一个实施例的简化截面图；图1B示出飞船的另一个实施例；图2示出具有预定的船体规模的飞船的船体倾斜角θ和回复力矩M之间的关系图；
图3示出倾斜的飞船的浮力U和重力W之间关系的说明图；图4A为了示意说明使倾斜的飞船恢复到水平姿态的动作，示出了抬高飞船前端且降低飞船尾部的倾斜状态；图4B是与图4A相似的图，示出了降低飞船前端且抬高飞船尾部的倾斜状态；图5A示出了现有技术的飞船的侧视图，其中飞船处于以低高度飞行或停留的状态；图5B示出了飞船处于以很高高度飞行或停留的状态。
本发明的优选实施形式图1A示出本发明一个实施形式的飞船20的简化截面图。该实施形式的飞船20包括具有船轴22的船体21；设置在船体21内的、沿船轴22方向将船体21内部空间S分割成多个隔间ΔS1、ΔS2、ΔS3、ΔS4、ΔS5的多个隔壁23a、23b、23c、23d。各隔间ΔS1-ΔS5被可截断轻气体和空气流通的柔性隔膜24a、24b、24c、24d、24e分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区25a、25b、25c、25d、25e和容纳空气的下层空气容纳区26a、26b、26c、26d、26e。所述轻气体可采用如He气等的轻气体。
所述各隔壁23a-23d具有由网状板构成的上层部分A1a、A1b、A1c、A1d以及由聚合物薄膜制成的气密板构成的下层部分A2a、A2b、A2c、A2d，该上层部分面临在各接点27a、27b、27c、27d的上方的各轻气体容纳区25a-25e，并形成容许轻气体通过的多个通气孔45，该下层部分面临在各接点27a-27d的下方的各空气容纳区26a-26e，并截断轻气体和空气的流通。
在所述船体21的各空气容纳区26a-26e中，设置有鼓风机28a、28b、28c、28d、28e、28f，作为给各空气容纳区26a-26e提供从外部吸引的空气、并且将在各空气容纳区26a-26e中容纳的空气向外部排出的吸气排气机构。
沿船轴22方向将所述船体21内部空间S分割成多个隔间ΔS1-ΔS5，将各隔间ΔS1-ΔS5的下层分别分割成容纳空气的下层空气容纳区26a-26e以及上层相互连通的轻气体容纳区25a-25e。因此，即使船体21的上部29被太阳能量加热，从而其内部的一部分轻气体被加热，轻气体也可以通过各隔壁23a-23d的通气孔，在每个隔间ΔS1-ΔS5中分别设置的轻气体容纳区25a-25e之间自由移动。此外，采用鼓风机28a-28f控制每个隔间ΔS1-ΔS5中分别沿船轴22方向分割的空气容纳区26a-26e中的空气量，从而可以非常迅速地改变质量平衡，以高的应答性控制飞船的姿态。
图2示出本发明人对具有预定的船体规模的飞船20，通过计算求出的船体倾斜角θ和回复力矩M之间的关系图，图3示出倾斜的飞船20的浮力U和重力W之间关系的说明图。图2中纵轴表示飞船20的重心G的回复力矩M，横轴表示船体倾斜角θ(度)。
本发明人在假想船体21内部空间S的数个分割数目情况下通过计算确认回复力矩M相对于船体倾斜角θ的变化，以确定在船体21内部空间S的船轴22方向的最佳分割数目。在该计算中采用的飞船20在地面上的He气和空气的体积比，设定为He气体积VHe空气体积VAir＝66∶34。
图2中线L1示出将船体内部空间以预定的分割比分割成5份时的船体倾斜角θ和回复力矩M之间的关系，线L2示出将船体内部空间以预定的分割比分割成3份时的船体倾斜角θ和回复力矩M之间的关系，线L3示出假定没有将船体内部空间分割时的船体倾斜角θ和回复力矩M之间的关系。
图3为便于说明，示意性示出本发明人发现的在预定的分割比上作为最小分割比的分割成5份的船体21。在倾斜状态的飞船20上，沿船轴22方向将船体21内部空间S分割，研究对应于该船体倾斜角θ产生最大回复力矩M的分割数目。例如，在所述线L1的情况下，包含船轴22的与图3的纸面平行的假想铅垂面上，当相对于船轴22的与图3纸面垂直的假想水平面30形成的船体倾斜角θ增大，使船体21恢复水平的回复力矩M随着增大，并且当船体倾斜角θ基本上为零时，所述回复力矩M也基本上为零。
在船体21内部空间S的体积中心Gv上作用有浮力U，在重心Gw上作用有重力W，所述回复力矩M是由于在包含船轴22的所述假想铅垂面上的体积中心Gv和重心Gw之间产生水平距离ΔL时产生的要使飞船20恢复水平的方向的力矩。由于船体倾斜角θ为0°，即船体21处于水平状态，通过重心Gw的铅垂面上还存在体积中心Gv，因此不产生所述回复力矩M。
所述线L1表示是在将飞船分割成5份的情况下，当船体倾斜角θ约为0°时，回复力矩M也约为0(kNm)，以逆时针转动为正方向，当船体倾斜角θ增大时，回复力矩M随着增大。因此，不管船体21的倾斜角度为多少，都可以可靠且迅速地使飞船恢复到水平或基本上水平的状态。
线L2示出将船体分割成3份的情况，以及线L3示出船体没有分割的情况，当船体倾斜角θ约为0°时，回复力矩M也约为0(kNm)。但是，即使使线L2和L3的船体倾斜角θ向正方向或负方向增大，直至飞船20达到各稳定点+s1(约+42°)，+s2(约+52°)，-s1(约-40°)，-s1(约-50°)，由于作用有反方向力矩，从而不能将飞船稳定在水平姿态，因此这种分割数目是不合适的。
图4A和图4B是说明使倾斜的飞船20恢复到水平姿态的动作的示图，其中图4A示出了抬高飞船前端31且降低飞船尾部32的倾斜状态，图4B示出了降低飞船前端31且抬高飞船尾部32的倾斜状态。当飞船20从如图4A所示的抬高飞船前端31且降低飞船尾部32的倾斜状态恢复到水平姿态时，从最靠近飞船前端31的鼓风机28a的空气通路将空气吸到空气容纳区26a内部。同时，驱动最靠近飞船尾部32的鼓风机28f，将最靠近飞船尾部32的空气容纳区26e内部的空气排出，产生回复力矩M使飞船以降低飞船前端31且抬高飞船尾部32的方式转动，从而可迅速使飞船恢复到水平姿态。
此外，当飞船20从如图4B所示的降低飞船前端31且抬高飞船尾部32的倾斜状态恢复到水平姿态时，与上述情况相反，从最靠近飞船尾部32的鼓风机28f的空气通路将空气吸到空气容纳区26e内部。同时，驱动最靠近飞船前端31的鼓风机28a，将最靠近飞船前端31的空气容纳区26a内部的空气排出，产生回复力矩M使飞船以抬高飞船前端31且降低飞船尾部32的方式转动，从而可迅速使飞船恢复到水平姿态。
在上述实施形式中，其结构如图1A所示，沿船轴22方向用隔壁23a-23d将所述船体21内部空间S分割成多个隔间ΔS1-ΔS5，用柔性隔膜24a-24e将各隔间ΔS1-ΔS5分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区25a-25e和容纳空气的下层空气容纳区26a-26e。但是不限于这种形式，本发明还有其它的实施形式，如图1B所示，所述多个隔间ΔS1-ΔS5中的至少一个，例如将沿船轴22方向的基本上中心位置和存在有体积中心Gv和重心Gw的隔间ΔS3，可通过与隔壁23a-23d相同的附加隔壁40在相对于包含船轴22的一假想铅垂面的左右两侧被分割成多个部分，例如被分割成两个部分，所述附加隔壁包括具有面临轻气体容纳区25c的通气孔45的上层部分A1e以及由面临空气容纳区26c的气密板构成的下层部分A2e。所述附加隔壁40平行于船轴22延伸，并且由该附加隔壁40形成的左右两个附加隔间41、42分别被隔膜24c分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区25c和容纳空气的下层空气容纳区26c。
在隔间ΔS3的鼓风机28c和28d中，其中一个鼓风机28c设置在附加隔间41的空气容纳区26c内部，另一个鼓风机28d设置在附加隔间42的空气容纳区26c内部。
根据这种结构，不仅可修正飞船的俯仰角变化引起的倾斜，而且可通过大的回复力矩修正飞船的侧滚角变化，即从飞船的前端侧看相对于船轴22顺时针回转和逆时针回转引起的飞船倾斜，因此，可实现进一步提高飞船的姿态稳定性。
根据本发明，由于沿船轴方向将所述船体内部空间分割成多个隔间，各隔间的下层成为空气容纳区，而上层成为轻气体容纳区，通过太阳能量加热船体上部，即使其内部的一部分轻气体被加热，轻气体也可以通过各隔壁的通气孔，在每个隔间中分别设置的轻气体容纳区之间自由移动，从而保持飞船的水平姿态，提高飞船的姿态稳定性。此外，由于可分别控制每个隔间中沿船轴方向分割的空气容纳区的空气量，从而可在短时间内较大地改变船体的质量平衡而移动重心，迅速地改变俯仰角的姿态，使飞船恢复水平姿态，从而提高飞船的姿态控制的应答性。
根据本发明，将所述船体内部空间分割成多个隔间，由于该分割数目是如此选择当船体倾斜角增大时，船体的回复力矩随着增大，并且当船体倾斜角基本上为零时，所述回复力矩也基本上为零，因此，不管船体的倾斜角度为多少，都可以可靠且迅速地使飞船恢复到水平或基本上水平的状态。
权利要求
1.一种飞船，其特征在于，其包括具有船轴的船体；设置在船体内的、将船体内部沿船轴分割成多个隔间的隔壁；设置在各隔间的、将各隔间分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区和容纳空气的下层空气容纳区的柔性隔膜；以及设置在各隔间空气容纳区的吸气排气装置。
2.如权利要求1所述的飞船，其特征在于，所述隔壁由面临各隔间的轻气体容纳区的上层部分和面临各隔间的空气容纳区的下层部分构成，所述上层部分上设置有可通过轻气体的通气孔。
3.如权利要求2所述的飞船，其特征在于，所述隔壁的下层部分由气密板构成。
4.如权利要求2所述的飞船，其特征在于，所述隔壁的上层部分由具有多个通气孔的网状板构成。
5.如权利要求3所述的飞船，其特征在于，所述隔壁的下层部分由聚合物薄膜制成的气密板构成。
6.如权利要求1所述的飞船，其特征在于，其设置有多个将船体内部分割成多个隔间的船体的隔壁，分割数目是这样确定的当船体船轴相对于水平面构成的船体倾斜角增大时，使船体恢复水平的回复力矩也随着增大，当船体倾斜角基本上为零时，回复力矩也基本上为零。
7.如权利要求6所述的飞船，其特征在于，所述船体的隔壁将船体内部分割成5个隔间。
8.如权利要求1所述的飞船，其特征在于，在隔间中还设置有基本上与船轴平行的附加隔壁，所述附加隔壁将该隔间分割成多个附加隔间。
9.如权利要求8所述的飞船，其特征在于，各附加隔壁由面临轻气体容纳区的上层部分和面临空气容纳区的下层部分构成，所述上层部分上设置有可通过轻气体的通气孔。
10.如权利要求9所述的飞船，其特征在于，所述附加隔壁的下层部分由气密板构成。
11.如权利要求8所述的飞船，其特征在于，在各附加隔间的空气容纳区中设置有吸气排气装置。
全文摘要
在船体21中设置有沿船轴22方向将船体21内部分割成多个隔间ΔS1－ΔS5的多个隔壁23a－23d。各隔间ΔS1－ΔS5被可截断轻气体和空气流通的柔性隔膜24a－24e分割成容纳轻气体的上层轻气体容纳区25a－25e和容纳空气的下层空气容纳区26a－26e。其中面临在所述各隔壁23a－23d中各隔膜24a－24e的各接点27a－27d上方的各轻气体容纳区25a－25e的上层部分A1a－A1d，具有容许轻气体通过的通气孔。
文档编号B64B1/62GK1462250SQ02801606
公开日2003年12月17日 申请日期2002年3月13日 优先权日2001年5月11日
发明者小川大八, 大垣正信, 佐佐木嘉隆, 菅原正彦, 前畑贵芳, 福本克治 申请人:川崎重工业株式会社