一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的制作方法

本发明涉及浮空器设计领域，具体涉及一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇。

背景技术：

飞艇是一种具有推进和飞行控制的飞行器，一般包含有充满氦气的舰体、位于舰体下方的吊舱、起稳定控制作用的尾翼和提供动力的推进系统。近年来，随着环保意识的增强和新能源技术的发展，以燃料电池作为飞艇推动力的研究引起了人们的广泛关注。

现如今已出现的氢能源飞艇，其结构包括舰体和吊舱，吊舱内设有为飞艇提供动力的氢燃料电池装置，浮升气体与燃料气体分开，氢燃料仅作为提供飞艇动力的一种能源形式，并无其他作用。

目前，氢燃料的存贮方式都以高压钢瓶的形式，通过管道阀门进入电池堆中提供动力，这种方式容易引起燃料电池堆损坏，甚至爆炸，威胁飞艇的安全。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对利用氢能源作为动力的小型无人飞艇存在的问题，即在具备良好的高度保持能力，又能减小飞艇动力装置的重量，同时又具有可靠的安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇，包括气囊和动力装置；

所述气囊中充有按一定比例混合的氢/氦混合气体作为飞艇的浮升气体；

所述动力装置包括相互连接的氢燃料电池组和电动机；

所述气囊通过氢氦混合气体回路与氢燃料电池组连接，用于向所述氢燃料电池动力系统提供反应氢/氦混合气体；外部空气通过空气回路与氢燃料电池组连接，用于向所述氢燃料电池动力系统提供反应氧气。

作为对本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的改进：

所述氢氦混合气体回路还在氢燃料电池组的回气口安装有水气分离装置，水气分离装置用于分离尾气中含有的水气，避免水气进入到气囊中。

作为对本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的改进：

氢/氦混合气体中氢气的体积比例为1-35％。

作为对本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的改进：

本发明的小型无人飞艇的运行方法为：

在气囊中按照预定比例填充氢/氦混合气体，小型无人飞艇在氢/氦混合气体的浮力作用下升空；

将气囊中的氢/氦混合气体通过管路输送到氢燃料电池组，氢燃料电池组将氢/氦混合气体作为燃料进行燃烧得到动力，从而驱动小型无人飞艇移动。

作为对本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的改进：包括以下步骤：

氢/氦混合气体从气囊中流出经过氢氦混合气体回路进入到氢燃料电池组中；同时，外部空气通过空气回路进入氢燃料电池组；

氢燃料电池组燃烧氢/氦混合气体和空气，氢/氦混合气体被消耗掉其中的大部分氢气，再经过水气分离装置过滤掉其中的水气，此时的氢/氦混合气体绝大多数组分为氦气，氢/氦混合气体重新流回到气囊；同时，空气被消耗掉其中的大部分氧气，再重新流回到外部。

本发明中所描述的小型无人飞艇，能够正常飞行，且能保障飞行过程中不会发生由于气囊破损引起的危险。比纯氢飞艇安全，比纯氦飞艇节能。

本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的技术优势为：

与现有技术相比，本发明的优势在于：使用氢/氦混合气替代纯氢气作为电池的燃料，能够有效避免燃料电池在运行过程中的安全隐患，延长燃料电池堆的使用寿命。同时，由于氢气直接储存在气囊中，减少了对存储媒介钢瓶的依赖，从而降低了飞艇的自重，以提升其负载能力，达到小型化的目标。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的结构示意图。

图中：1—气囊；2—氢氦混合气体回路；3—空气回路；4—动力装置；5—氢燃料电池组；6—电动机；7—水气分离装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇，如图1所示，包括气囊1和动力装置4。

气囊1中充有按一定比例混合的氢/氦混合气体作为飞艇的浮升气体。动力装置4包括相互连接的氢燃料电池组5和电动机6。

气囊1通过氢氦混合气体回路2与氢燃料电池组5连接，用于向所述氢燃料电池动力系统提供反应氢/氦混合气体，氦气是惰性气体，不参与燃料电池反应；外部空气通过空气回路3与氢燃料电池组5连接，用于向所述氢燃料电池动力系统提供反应氧气。

氢氦混合气体回路2还在氢燃料电池组5的回气口安装有水气分离装置7，水气分离装置7用于分离氦气中含有的水气，避免水气进入到气囊1中。水气分离装置7将燃烧后的尾气进行脱水处理，水气分离装置7自身具有的泵气作用兼顾了气体混合作用和气流循环作用，不需要再增加额外复杂的装置。

当有需要时，氢/氦混合气可以从气囊1通过氢氦混合气体回路2直接进入氢燃料电池组5中燃烧，为飞艇提供动力。

本发明的小型无人飞艇，利用氢/氦混合气体作为浮升气体和燃料，同时气囊1里的氢/氦混合气体可通过管道进入氢燃料电池组5中，为飞艇提供动力，残余的氦气重新进入气囊1中，加以循环利用。此外，氦气的混入有利于提高氢燃料电池组5在工作过程中的安全性。如此，本发明的小型无人飞艇，具有安全和环保的特点。

在氢燃料电池组5运行过程中燃烧消耗氢气，气囊1中的浮升气体也会逐渐减少，本发明中的无人飞艇运行轨迹考虑浮升气体的减少，飞行高度会逐渐降低。所以该小型无人飞艇的运行轨迹与常规飞艇不同，但也能实现固定两点之间的运载运行，较常规飞艇而言，更加节能。

在本发明的上述方案中，氢/氦混合气为浮升气体，氢燃料电池组5以氢/氦混合气为燃料。首先，氢气作为一种高能量密度的清洁能源，与燃料相比其燃烧后的产物是水，不会给环境带来负担。但氢气同时又具有高的扩散性和宽泛的爆炸极限，而氦气的抑爆效果使得存储在气囊中氢气具有较高的安全性，即使发生泄漏，也不会发生剧烈反应。

其次，当混有一定比例的氦气共同进入动力系统，可以有效避免氢气通过膜电极与空气的混合，进而引发一系列安全事故。

通过计算可知，氦气对氢气的抑爆效果的临界点约为65％，继续增加氦气的比例，氢气在空气中只能进行稳定的燃烧，而不会发生剧烈的爆炸。故而，氢/氦混合气体中氢气的体积比例控制在1-35％，此范围内，氢/氦混合气作为一种稳定的可燃性气体，在为飞艇动力的同时，不会造成安全隐患，实现氢气在飞艇上高效安全利用。

综上，在本发明的小型无人飞艇结构中，氢/氦混合气既可以作为浮升气体为飞艇提供优秀的滞空能力，又可以为飞艇提供动力。

在本发明的上述方案中，使用氢氧燃料电池装置为飞艇提供动力，使得本发明的小型飞艇结构方案中无需借助其他形式的能源，从而减轻了本发明飞艇的重量，有利于提高负载，同时避免了使用其他形式能源对环境的污染。

本发明的小型无人飞艇的运行方法为：

在气囊1中按照预定比例填充氢/氦混合气体，小型无人飞艇在氢/氦混合气体的浮力作用下升空；

将气囊1中的氢/氦混合气体通过管路输送到氢燃料电池组5，氢燃料电池组5将氢/氦混合气体作为燃料进行燃烧得到动力，从而驱动小型无人飞艇移动。

本发明一种使用氢氦混合能源的小型无人飞艇的使用过程包括以下步骤：

氢/氦混合气体从气囊1中流出经过氢氦混合气体回路2进入到氢燃料电池组5中；同时，外部空气通过空气回路3进入氢燃料电池组5；

氢燃料电池组燃烧氢/氦混合气体和空气，氢/氦混合气体被消耗掉其中的大部分氢气，再经过水气分离装置7过滤掉其中的水气，此时的氢/氦混合气体绝大多数组分为氦气，氢/氦混合气体重新流回到气囊1；同时，空气被消耗掉其中的大部分氧气，再重新流回到外部。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。