专利名称：飞船中的太阳能电池阵列的定位的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设有太阳能电池阵列装置的飞船和一种用于在飞行过程中对安装在飞船上的太阳能电池阵列装置进行定位的方法。
发明的背景由于飞船仅需应用少量的推进能量，因而它天生适于由安装在飞船上的太阳能电池阵列的太阳能来给予动力。对于包括极长久的无人驾驶任务在内的众多飞船应用而言，可认为太阳能是在当前生态协议下用于给予此类飞船动力的唯一可接受的实用能量媒介。
太阳能电池的一个特性是当太阳辐射垂直、即以90°入射在电池上时，其效率最大。为了获得足够的动力用能量，必须在飞船上安装大量的太阳能电池，例如，安装成固定在飞船的外体上的大量的阵列。由于空气动力学的原因，飞船的形状通常采用旋转体的形式，因此，不同的太阳能电池在任何一个时刻将面向不同的方向，由此在任何一个时刻上，只有其中一部分的太阳能电池能接收最大的入射太阳辐射量。因而，在飞船的表面上具备大量的太阳能电池阵列的情况下，许多太阳能电池将接收不到最大能量。当然，在某些情况下，任何位于飞船的“暗侧”上、背对太阳的太阳能电池事实上将接收不到太阳辐射，而只有少量的反射太阳辐射。
此外，由于任何空运飞船都必须能沿随机路线飞行，因而不能保证在整个预计范围的方位角上均有太阳辐射。
这就导致了这样一种情形，时至今日，飞船设计者已发现，为了能够提供足够的动力以操纵飞船，必须在飞船船身的大部分表面上覆上太阳能电池，以便确保无论飞船沿哪一条路线行进、以及无论太阳相对于飞船位于何方，均能产生足够的能量。在实践中，当飞船被设置用来接收太阳辐射时，在任何一个时刻上通常只有少于半数的、安装在飞船外表面上的、传统上排列成电池阵列的太阳能电池来采集能量。显然，无论从成本、还是更重要地从大量的太阳能电池阵列的重量而言，这都算得上是一种极其低效的系统。在高空运作上，重量绝对是关键的，任何的重量节省对于获得一种“浮动”飞船而言是至关重要的。
已经有了许多太阳能飞船的设想和大量已发表的著作。大多数的作家接受影响到太阳能飞船的实际应用的纬度(latitude)和气候条件的限制。就目前所知，还没有太阳能动力飞船已经取得了成功。
US-A-5,518,205号揭示了一种已知的太阳能飞船。该已知的飞船具有一对充气的船身，这对船身籍由前后机翼相连接，并且一吊舱籍由悬吊线悬吊于船身。前机翼在其顶表面上承载着一太阳能电池阵列。通过调节吊舱的位置，可使飞船倾斜，以便将太阳能电池阵列最佳地暴露给入射太阳辐射。当然，此类飞船的空气动力性能会因双体式飞船的倾斜而会有很大的变化。
发明概述本发明一个目的在于减少飞船动力、例如提供推进力所需要的、飞船上的太阳能电池的数量。
本发明另一个目的在于提供一种用于改变安装在飞船的船身上的太阳能电池阵列装置的取向、以使由太阳能电池阵列装置所采集的太阳辐射量增加以至于最大化的装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种飞船，它包括用于提供具有基本纵向延伸的纵轴的船身的气体外壳装置、以及安装在船身的外侧上的太阳能电池阵列装置，其特点在于，该太阳能电池阵列装置被设置成仅仅环绕船身的一部分圆周延伸，并且还设有用于使太阳能电池阵列装置绕船身的纵轴旋转、以对由太阳能电池阵列装置所采集的入射太阳辐射量进行控制、例如使之增加或最大化的装置。
由于设有用于使太阳能电池阵列装置绕船身的纵轴旋转的装置，该太阳能电池阵列装置就能够在移过天空时“跟踪”太阳。例如，太阳能电池阵列装置将绕船身的纵轴、在偏移至飞船的浮心的相对两侧的末端位置之间转过一个弧度。
太阳能电池阵列装置较佳地刚性连接在飞船的船身上，例如，连接于飞船船身的四分之一顶部。在这种情况下，可操作旋转装置，以使整个船身滚转，以便能使太阳能电池阵列装置在横过天空时跟踪太阳。虽然太阳能电池阵列装置较佳地刚性连接在飞船的船身上，但是本发明并不仅限于此，而是涵盖了可相对于飞船的船身移动的所有的太阳能电池阵列装置。
太阳能电池阵列装置沿着船身延伸一段足够的长度，以便提供用于飞船的基本动力需求的阵列的所需面积。
较佳地，用于使太阳能电池阵列装置旋转的旋转装置包含有可动的重量装置，太阳能电池阵列装置的重心和重量装置分别位于飞船的浮心的相对两侧上。因此，太阳能电池阵列装置的重量和重量装置能彼此抵销或平衡，从而防止作用在飞船上的永久性滚转力。通过改变重量装置的“侧向偏移”(即，介于重量装置的重心与穿过飞船的浮心的一垂直平面之间的距离)，可使飞船滚转，从而使固装在飞船的船身上的太阳能电池阵列装置转动。
为了使重量节省最大化，该重量装置较佳地包括可侧向偏移以抵销阵列重量的飞船的有效载荷模块。由于飞船被设计成承载着一有效载荷，因而无须增设附加的重量装置来抵销太阳能电池阵列装置的重量。
在某些高空设计中，有效载荷模块可完全包含在船身之中。因此，飞船可以一种钟摆稳定的方式来构成，以用于太阳能电池阵列装置的特定取向。该有效载荷模块通常被安装成为绕浮心沿弧线移动。因此，有效载荷模块沿弧线移动可使飞船绕其纵轴滚转，直到整个飞行器的重心再次位于浮心的正下方为止。通过使有效载荷模块沿弧线移动至浮心的下方，可保持钟摆稳定性。采用该系统可使太阳能电池阵列装置旋转超过90度。这样就可使飞船不仅在整个白天在太阳移过天空时使太阳能电池阵列装置对准方向，而且还可使飞船反向飞行(用于满足盛行风和工作站保持的要求)，并且仍然将太阳能电池阵列装置保持在飞船的面向太阳的一侧上。这在更高的高空运作中尤为重要。
较佳地，旋转装置包含有缆索和绞盘装置。通常，缆索和绞盘装置包括一系列收放缆索用的绞盘，这些缆索构成用于使有效载荷模块悬吊于飞船的船身的悬吊装置。用于操作缆索和绞盘装置的控制将构成飞船的总的飞行控制系统的一个整体部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在飞行过程中将安装于飞船的船身外部的太阳能电池阵列装置进行定位、以增加由该太阳能电池阵列装置所采集的入射太阳辐射量的方法。
附图简介参照附图以仅仅是示例的方式来描述本发明的一实施例，在这些附图中
图1是一种同温层飞船的飞行示意图；以及图2a、2b和2c是示出了图1所示的飞船是如何滚转以重新定位安装在该飞船外侧上的太阳能电池阵列装置的示意图。
发明的实施模式图1是一种同温层飞船1的飞行示意图。该飞船1具有单个船身2，该船身是由充满着比空气更轻的、通常为氦的充气外壳所构成的。下面将氦作为充满外壳的气体，当然也可采用其它气体。至少一个太阳能电池阵列3固装在船身2上。如图所示，该太阳能电池阵列3刚好延伸过船身2的四分之一圆周，且置于飞船的前端。当升空时，船身的充气外壳仅仅局部充氦，通常仅为充满着氦的船身2的最终体积的大约6-8％，并且该飞船还未具有图1所示的“充气”形状。在局部充气的飞船升空之后，随着飞船穿过大气层上升至其运作高度、例如大约70,000英尺，氦逐渐膨胀。在该运作高度上，飞船具有图1所示的形状和形态。
飞船1具有排列在吊舱5中的内部有效载荷(参见图2a-c)。该吊舱籍由缆索6-10连接在船身2上。缆索6自吊舱5延伸至船身2上的一连接点13。缆索7自吊舱延伸至滑轮14，缆索8环绕该滑轮行进，其两个相对端分别连接在船身的连接点15和16上。缆索9自吊舱5延伸至滑轮17，缆索10环绕该滑轮行进，其两个相对端分别连接在船身的连接点18和19上。在吊舱上设有绞盘(未图示)，用以改变缆索6、7和9的长度。
在图2a所示的位置中，太阳能电池阵列3安装于垂直平面V的左侧，该平面穿过飞船1的纵轴20。该太阳能电池阵列3的重心21也置于轴20的左侧，并且该阵列的重量是由置于纵轴20的右侧的吊舱5来平衡的。因而，飞船处于一种稳定的状态中，其中阵列3和吊舱5的重量可使飞船不致滚转。
通过将吊舱5朝着垂直平面V移动到轴20的下方，可使飞船滚转。如图所示，吊舱5沿着一弧形轨道22移动，该弧形轨道的中心位于垂直平面V中的点23上。吊舱的移动是籍由吊舱5上的绞盘(未图示)的操作来实现的。具体地讲，操作这些绞盘，以便在将太阳能电池阵列3重新定位至图2b所示的位置的过程中，使缆索6和7变短，并使缆索9变长。在图2b中，阵列3的重心21和吊舱5分置于垂直平面V中、纵轴20的相对两侧上。飞船的船身已转过大约45°，并且太阳能电池阵列面向上，以便接收自飞船正上方直接照射于其上的太阳辐射。
倘若现在操作绞盘，以增加缆索6和9的长度，并减小缆索7的长度，则吊舱5向左移动(如图所示)而远离垂直平面V，并且船身2沿顺时针方向转动或滚转。图2c示出了船身2和阵列3位于它们的其它最终位置。
通过适当地操作绞盘，可使船身2沿逆时针方向滚转至图2a所示的位置，以准备在下一天的黎明时分接收入射太阳辐射。
要意识到的是，可控制吊舱5的位置，以使飞船滚转而按需重新定位太阳能电池阵列3。因此，通过连续地控制绞盘、即控制缆索的收放，可使阵列3在穿过天空时跟踪太阳。于是，控制太阳能电池阵列3的位置，以使由太阳能电池阵列所采集的入射辐射量增加以至于最大化。绞盘的控制构成总的飞船飞行控制系统的一部分，该系统还将接收有关飞船控制的其它控制信息，诸如其它控制表面的位置、推进导航系统的运作等。
采用所述类型的单体式飞船可使船身绕其纵轴旋转或转过相对较大的角度、例如可高达和超过90°。由于飞船基本上采用旋转体的形式，因而飞船的空气动力性能不会因绕其纵轴旋转而有大幅度或者明显程度的变化。
虽然已参照非刚性飞船对本发明进行了描述，但本发明也可应用到其它类型的飞船上。例如，太阳能电池阵列能可移动地安装在一种刚性或半刚性飞船的船身上，以便相对于船身移动，从而横穿天空跟踪太阳。
本发明涵盖飞行过程中以及地面上未充气状态下的飞船。因此，术语“飞船”也包括具有未充气或局部充气的外壳的飞船。
权利要求
1.一种飞船(1)，它包括用于提供具有基本纵向延伸的纵轴(20)的船身(2)的气体外壳装置、以及安装在所述船身(2)的外侧上的太阳能电池阵列装置(3)，其特征在于，所述太阳能电池阵列装置(3)被设置成仅仅环绕所述船身(2)的一部分圆周延伸，并且还设有用于使所述太阳能电池阵列装置(3)绕所述船身的纵轴(2)旋转、以对由太阳能电池阵列装置(3)所采集的入射太阳辐射量进行控制、例如使之增加或最大化的装置(6-10)。
2.如权利要求1所述的飞船，其特征在于，所述太阳能电池阵列装置(3)刚性连接至所述飞船的船身(2)。
3.如权利要求1或2所述的飞船，其特征在于，所述太阳能电池阵列装置(3)沿着所述船身(2)延伸一段足够的长度，以便提供用于所述飞船的基本动力需求的阵列的所需面积。
4.如上述权利要求中的任何一项权利要求所述的飞船，其特征在于，用于使所述太阳能电池阵列装置(3)旋转的旋转装置包含有可动的重量装置(5)，所述太阳能电池阵列装置(3)的重心和所述重量装置(5)分别位于穿过所述飞船的纵轴(20)或者浮力轴的一垂直平面的相对两侧上。
5.如权利要求4所述的飞船，其特征在于，所述重量装置(5)包括所述飞船的有效载荷模块，所述有效载荷模块可侧向偏移，以便抵销所述阵列装置(3)的重量。
6.如权利要求5所述的飞船，其特征在于，所述有效载荷模块(5)完全包含在所述船身(2)之中。
7.如上述权利要求中的任何一项权利要求所述的飞船，其特征在于，所述旋转装置(6-10)包含有缆索和绞盘装置。
8.如权利要求7所述的飞船，其特征在于，所述缆索和绞盘装置包括一系列收放缆索(6，7，9)用的绞盘，这些缆索构成用于使所述重量装置(5)悬吊于所述飞船的船身(2)的悬吊装置。
9.一种用于采集入射在外部安装于飞船的船身(2)上的太阳能电池阵列装置(3)上的太阳辐射的方法，其特征在于，所述方法包括使所述太阳能电池阵列装置(3)绕所述船身(2)的纵轴旋转，以便控制由该太阳能电池阵列装置(3)所采集的入射太阳辐射量。
全文摘要
飞船(1)包括用于提供具有基本纵向延伸的纵轴(20)的船身(2)的气体外壳装置以及安装在船身(2)的外侧上的太阳能电池阵列装置(3)。该太阳能电池阵列装置(3)被设置成仅仅环绕船身(2)的一部分圆周延伸,并且绕船身的纵轴(20)旋转,以便控制由太阳能电池阵列装置(3)所采集的入射太阳辐射量。
文档编号B64D47/00GK1340012SQ0080359
公开日2002年3月13日 申请日期2000年2月8日 优先权日1999年2月9日
发明者R·H·希尔斯唐 申请人:先进技术集团有限公司