专利名称：一种金属结构的大型浮空器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属结构的大型浮空器，尤其是长期漂浮在近空的一种用金属及 合金板制造的大型金属结构的浮空器。
背景技术：
用轻于空气的气体填充的航空器称之为浮空器，浮空器一般分为气球和飞艇两 种，气球一般由柔软的气囊装入比空气轻的气体组成，飞艇是具有推进装置的浮空器，按外 壳型式分为软式飞艇、硬式飞艇和半硬式飞艇三种。现代飞艇一般都是软式飞艇，要保持它 们的外形，只能是通过气囊中气体压力来实现，其主要组成部分是气囊，在气囊里面充满了 比空气轻的气体以提供升力，另外里面还有辅助气囊。现代飞艇的气囊由涤纶、聚脂纤维、 迈拉等人造材料织成，可有效的防止氦气的泄漏，并具有较长的使用时间。但是，到目前为 止，人类还没有一种可长期停留在近空(1-12千米)的大型浮空平台，其原因是使用现有 气球气囊及飞艇气囊的材料，制造大型浮空平台，重量虽然轻，但不能长时间(比如几十年 上百年停留在空中)，由于气球及飞艇气囊材料柔软，寿命短、成本高、容易损坏，气体容易 泄漏，浮空器体积过大，一旦破坏，损失巨大，所以不适合做永久性大型浮空平台，象空中旅 馆、空中城市的应用还只是设想，人类至今也没有一个近空的永久平台，这与人类具有载人 登月的能力和同步轨道空间站的技术极不相称，但随着人们的生活水平的提高，能够停留 在空中旅游、观光、休闲，确实是一件充满幻想的、快乐的、浪漫的事，这种需求的愿望越来 越强烈，所以我们需要一个能够长期停留在空中的、坚固的、不容易破坏的大型浮空器，但 浮空器越大，需用的气体就越多，使用氦气成本高，由于历史上氢气飞艇曾爆炸过，造成多 人死亡，提到氢气作为载人浮空器的填充气体，人们仍心有余悸，使用金属材料做浮空器主 体是一种不错的选择。但金属材料虽然有坚固、使用时间长，不容易损坏等众多的优点，但 密度大，自重也大，填充的氦多，成本高，所以用厚的金属板制作的浮空器还没诞生。发明内容
为了克服现有气球或飞艇气囊的材料作为大型浮空平台寿命短、使用氦气成本 高、容易损坏、不能永久停留在空中的缺点，本发明提供了金属外壳作为浮空主体的大型浮 空器可以安全使用氢气作为浮空器填充气体的方案，实现了一种长寿命、抗破坏能力强、不 容易泄漏气体、廉价的大型浮空器，为空中旅馆、空中城市、空中太阳能电站、空中风力发电 站的实现铺平道路，即使使用氦气，虽然成本较高，但长期使用平均下来成本自然就降低 了，使用氢气就不存在这一问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
1、解决浮空器坚固、安全、成本低的方案采用厚金属板制造浮空器主体+浮空器 内部大体积+填充廉价氢气。
为了使浮空器主体经久耐用，浮空器的外壳即浮空器主体采用较厚的金属板制 造，在浮空器主体内填充较轻气体，氢气或氦气都是很好的选择，通过增大浮空器的体积来产生更大的浮力抵消自身的重量和载荷的重量，金属板的厚度可以大于0. 5毫米以上，这 样就实现了铝合金板、钢板等高强度的材料制造浮空器的主体，也就是可以先确定浮空器 主体的厚度和载荷的重量，再计算需要多大体积的浮空器，这样浮空器主体采用较厚的金 属板，一般都能通过调节体积来满足要求，在浮空器中填充氢气或氦气，如果考虑成本，充 入氦气的成本高，充入氢气的成本低，由于使用了高强度的金属板制造浮空器的主体，在浮 空器主体内充入氢气也非常安全。
2、载荷承载方案为了使浮空器能够承载载荷，在浮空器主体上，有多条弧形连接 带与浮空器主体相连，弧形连接带可以连接载荷；也可用多条水平连接带与浮空器主体连 接，水平连接带也可以与载荷连接；也可以采取多条水平连接带与多条弧形连接带交叉连 接在一起，再与载荷连接的方式，这是载荷分配在浮空器主体上最均勻的方式；在载荷与浮 空器主体之间通过垂直连接条连接，垂直连接条一端连接在载荷上，另一端连接在水平连 接带上或弧形连接带上，也可同时连接到水平连接带和弧形连接带的交点上。
3、能源方案为了解决浮空器的能源问题，在浮空器主体上布置有太阳能电池，在 浮空器主体适当位置布置有风力发电机。
4、浮空器气体安全方案为了保障浮空器的充入的气体在出现故障时减少泄漏 量，在浮空器主体的内部，必须采用一定的结构来实现这些功能，本发明采用的薄片材料将 浮空器主体内部空间分割成多个气室，每个气室相互独立，互不通气，即使浮空器主体出现 穿孔、裂缝等损坏，只有临近的气室漏气，大部分宝贵的气体不会泄漏，不影响整个浮空器 的运行，为维修赢得了宝贵的时间。
5、形状保持方案在载重的情况下，浮空器体积越大越容易变形，为了保持浮空器 主体的外形，薄片材料通过薄片材料与浮空体主体连接处连接到浮空器主体的内壁，由于 薄片材料有一定的抗拉强度，对浮空器主体保持一定的形状起到了一定作用。
6、浮空器与地面人、物交换方案为了使浮空器和地面交换人和物，浮空器上设卷 扬机，卷扬机连接缆绳，缆绳连接吊舱，吊舱下面有定位绳；为了保障天气较恶劣的情况下 浮空器与地面交换人和物，在浮空器上设有平台，平台上停靠有补给飞艇。
下面对附图简要说明。
图1是一种金属结构的大型浮空器示意图。
图中1.浮空器主体，2.浮空器中部，3.浮空器头部，4.浮空器尾部，5.弧形连接 带，6.太阳能电池，7.水平连接带，8.水平连接带连接点，9.垂直连接条，10.载荷，11.载 荷连接点，12.窗户，13.卷扬机，14.缆绳，15.吊舱，16.定位绳，17.水平翼，18.垂直翼， 19.动力机，20.螺旋桨，21.平台，22.补给飞艇。
图2是一种金属结构的大型浮空器内部结构示意图。
图中1.浮空器主体，5.弧形连接带，7.水平连接带，9.垂直连接条，10.载荷，11.载 荷连接点，23.薄片材料，24.气室，25.薄片材料与浮空体主体连接处，26.风力发电机。
具体实施方式
在图1、图2的实施例中，我们以实现一种金属结构的大型浮空器为例对本发明进一步说明在图1中，浮空器主体1包含浮空器中部2、浮空器头部3、浮空器尾部4中，浮空器 主体1为一金属结构外壳，采用金属板焊接而成，在浮空器主体1内部充满较轻的气体，为 降低成本，可充入氢气，使浮空器能够产生浮力，在浮空器主体1上，有多条弧形连接带5， 弧形连接带5也是可以是金属结构，如为金属结构，实际为一定厚度的金属带，一般比浮空 器主体外壳要厚，焊接在浮空器主体1上，在浮空器主体1上布置有太阳能电池6，为了减轻 重量，使用薄膜太阳能电池，现在实用的薄膜太阳能电池技术已经能够达到0. 1千瓦/千克 的技术，完全能满足浮空器对太阳能电池要求轻便的要求，多条水平连接带7布置在浮空 器主体1的水平方向，弧形连接带5与水平连接带7通过水平连接带连接点8连接在一起， 垂直连接条9 一端连接在水平连接带7上，另一端连接在载荷10上的载荷连接点11，载荷 10可以是空中旅馆、空中城市或其他载荷，如果作为空中旅馆或空中城市，其内部分为很多 不同功能的房间，这些房间必须用强度高、重量轻的材料制作，在载荷10上开有多个窗户 12，卷扬机13布置在浮空器上，吊舱15通过缆绳14连接在卷扬机上，吊舱15上有定位绳 16，吊舱15在缆绳14的收放下可以上下移动，缆绳需要足够长，可以从几千米的高空将吊 舱15放下地面，当吊舱15被放到地面附近，将定位绳16栓在地面上以固定吊舱15，吊舱15 可以运送货物或人员，当然要在天气条件较好的情况下才能使用，如果风大，使用吊舱15 就有困难，为了克服这种状况，在浮空器下面设有一平台21，在平台21上可以停靠补给飞 艇22，用补给飞艇22可以实现地面与浮空器之间的物与人的交换，便于补给浮空器需要的 物资、运送旅客和工作人员；水平翼17、垂直翼18起稳定的作用，动力机19可以是电动机， 也可以是柴油机、汽油机，也可以是两种动力机的组合，在白天太阳能电池6提供的电力足 够的时候，由电力提供驱动力，在没有阳光的夜晚，可以由内燃机提供动力，由动力机19提 供的动力使螺旋桨20转动，驱动浮空器前进。在图2中，弧形连接带5与水平连接带7相连，如果采用金属，可以通过焊接方式 连接在一起，垂直连接条9也是可以是金属结构，其一端可焊接在水平连接带7上，另一端 与载荷10通过载荷连接点11连接，载荷10的全部重量由垂直连接条9承担，由于垂直连 接条9是焊接在水平连接带7，水平连接带7焊接在弧形连接带5与浮空器主体1上，这一 重量最终由浮空器产生的浮力承担，为了保护充入浮空器主体中的宝贵气体在出现故障时 减少泄漏量，以及保持浮空器主体1的形状，在浮空器主体1的内部，必须采用一定的结构 来实现这些功能，本发明采用的薄片材料23将浮空器主体1内部空间分割成多个气室24， 每个气室相互独立，即使浮空器主体1出现穿孔、裂缝等损坏，只有临近的气室漏气，大部 分宝贵的气体不会泄漏，不影响整个浮空器的运行，为维修赢得了宝贵的时间，薄片材料23 通过薄片材料与浮空体主体连接处25连接到浮空器主体1的内壁，由于薄片材料23有一 定的强度，能够使浮空器主体1保持一定的形状；，在浮空器上安装了风力发电机26，与太 阳能电池6联合供电，保障了浮空器的能源供应。浮空器主体及附件材料的选择浮空器主体1 可以使用铝合金、铁合金、不锈钢等金属材料，只是同样厚度的金 属板做的外壳，在同样载荷下，密度大的金属需要的体积更大，通过调节体积，不管使用哪 种金属与合金，一般都能满足要求。弧形连接带5、水平连接带7 —般为比外壳适当厚一点的金属带，只要强度足够，非金属带也可以使用，只是需要连接起来承担载荷的重量。
太阳能电池6 由于考虑重量，选择薄膜太阳能电池较为理想，现在已经有0. 1千 瓦/千克的产品出售，一个100千瓦的太阳能电站电池总重才1吨，完全能够满足浮空器的 日常用电的需求，太阳能电池6安装在浮空器主体1表面。
载荷10 根据需要确定，但可以考虑使用较轻、强度大的材料制作，如果作为空中 旅馆使用，房间可以按地面上的旅馆设施配置，只是需要考虑材料的强度和重量。
卷扬机13、缆绳14、吊舱15、定位绳16 卷扬机13用于控制吊舱15的上下，吊舱 15用于浮空器与地面交换物资、上下人员等，所以缆绳14要求一定的长度与强度，定位绳 16为吊舱15下面的一段绳子，当吊舱15靠近地面时摇晃不定，先拉定位绳16固定。
水平翼17、垂直翼18起到稳定飞行的作用，制作时参照飞艇制造技术。
动力机19、螺旋桨20 用于驱动浮空器前进，动力机19可以是电动机、内燃机等， 为了环保，最好使用太阳能电池发的电能驱动浮空器前进。
平台21、补给飞艇22 平台21可用作日常活动场所，也可以停靠补给飞艇22，补 给飞艇22用于天气较恶劣时浮空器与地面交换物资与上下人员用。
薄片材料23、气室M 薄片材料23可以使用金属及非金属材料，只要轻便，有足够 抗拉强度就行，薄片材料23连接在浮空器主体1的内壁，气室M由薄片材料23围成，气室 24的大小可根据浮空器主体1的体积、安全系数、重量等参数来确定。
风力发电机沈用于空中风力发电，特别是夜晚没有太阳能的情况下，风力发电 机沈可以补充部分能源，制造时必须考虑重量。
为了说明本发明即使使用了较厚的金属板也能够实现浮空，下面假设制造一个大 型金属浮空器对本发明进行一个初略的估算，只要浮空器主体的重量小于其所产生的浮 力，浮空器就能长期漂浮在空中，所以下面只估算浮空器主体的重量和浮力，至于载荷和其 他附属部件的重量，可以通过改变浮空器体积大小和外壳厚度来调节。
假设浮空器主体是一个长300米，直径100米的圆柱形，采用3mm厚的高强度铝 合金板焊接而成，其中充满氢气或氦气，铝合金密度按2750千克/立方米计算，漂浮于海拔 3000米的高空中，海拔3000米的高空中的空气密度略为0. 8千克/立方米。
浮空器的体积=3. 14X50米X50米X300米=2355000立方米；
浮空器用铝合金的质量=铝合金的体积X铝合金的密度=铝合金的表面积X 铝合金的厚度X2750千克/立方米=(2X3. 14X50米X300米+2X3. 14X50米X50 米)X 0. 003米X 2750千克/立方米=(94200平方米+15700平方米)X 0. 003米X 2750 千克/立方米=906675千克 906吨。
浮空器产生的浮力 浮空器的体积X所在高度的空气密度=2355000立方 米X0. 8千克/立方米=1884000千克=1884吨。
浮力与浮空器主体重量之差=1884吨-906吨=978吨。
可见，载荷与其他部件的总重只要不超过978吨就能使一个庞大的浮空器长期漂 浮在3000米的高空中，空中旅馆、空中城市将不再是幻想，而是可以实现的，也许有人说这 投资过大，但能够实现一个较长时间(几十年以上)的长期漂浮在空中的大型浮空器，其经 济效益是十分可观的，投资大一点没关系，比如每天有1000人(略70吨重量，只占浮空器 浮力的极小部分)在上面旅游、观光、休闲，按5000元/天计算，一天的营业额大约为5006万元，一年为18亿，估计一年左右就能收回投资成本。
为了证明浮空器主体能够使用更厚的金属板制造，我们再举一个例子来说明。
假设浮空器主体为长3000米，直径1000米的圆柱体，采用1厘米厚的钢板焊接 而成，其中充满氢气或氦气，钢板密度按7. 8吨/立方米来计算，浮空器漂浮在3000米的高 空中，3000米空中的空气密度略为0. 8千克/立方米。
浮空器的体积=3. 14X500米X500米X3000米=2355000000立方米；
浮空器用钢板的质量=钢板的体积X钢板的密度=钢板的表面积X钢板厚 度 X7800 千克 /立方米=(2X3. 14X500米 X3000 米+2X3. 14X500 米 X500米)X0. 01 米X 7800千克/立方米=(9420000平方米+1570000平方米)X 0. 01米X 7800千克/立 方米=857220000 千克=857220 吨=85. 722 万吨。
浮空器产生的浮力 浮空器的体积X所在高度的空气密度=2355000000立方 米X0. 8千克/立方米=1884000000千克=1884000吨=188. 4万吨。
浮力与浮空器主体重量之差=188. 4万吨-85. 722万吨=102. 678万吨。
可见即使一个长3000米，直径1000米，采用1厘米厚的钢板焊接而成的大型浮空 体，漂浮于海拔3000的高空，除开承担自重外还能为载荷与其他附属设备提供大约100万 吨的浮力。由于采用了 1厘米厚的钢板，浮空体外壳异常坚固，不容易破坏，更谈不上漏气， 估计可在空中停留上千年，由于使用时间长，平摊后成本并不高，仍具有投资价值。
权利要求
1.一种金属结构的大型浮空器，其特征在于浮空器主体(1)采用较厚的金属板制造， 通过增大浮空器主体(1)的体积来产生更大的浮力抵消自身的重量和载荷的重量，在浮空 器主体(1)中填充有较轻气体。
2.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在浮空器主体(1) 中填充的气体是氢气。
3.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在浮空器主体(1) 上，有多条弧形连接带( 与浮空器主体(1)相连。
4.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于多条水平连接带(7) 与浮空器主体(1)连接。
5.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在浮空器主体(1) 上，多条水平连接带(7)与弧形连接带( 交叉连接在一起。
6.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在载荷(10)与浮空 器主体(1)之间通过垂直连接条(9)连接，垂直连接条(9) 一端连接在载荷(10)上，另一 端连接在水平连接带(7)上或弧形连接带( 上，也可同时连接到水平连接带(7)和弧形 连接带(5)的交点上。
7.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在浮空器主体(1) 上布置有太阳能电池(6)和安装有风力发电机06)。
8.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于在浮空器主体(1) 的内部，采用的薄片材料03)将浮空器主体(1)内部空间分割成多个气室(M)，每个气室 (24)相互独立，互不通气。
9.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于薄片材料03)通过 薄片材料与浮空体主体连接处0 连接到浮空器主体(1)的内壁。
10.如权利要求1所述的一种金属结构的大型浮空器，其特征在于浮空器上设卷扬机 (13)，卷扬机(13)连接缆绳(14)，缆绳(14)连接吊舱(15)，吊舱(15)下面有定位绳(16)， 在浮空器上设有平台(21)，平台上停靠有补给飞艇02)。
全文摘要
一种金属结构的大型浮空器，主要由浮空器主体、弧形连接带、太阳能电池、水平连接带、垂直连接条、载荷、卷扬机、缆绳、吊舱、定位绳、水平翼、垂直翼、动力机、螺旋桨、平台、补给飞艇、风力发电机、较轻气体组成，浮空器主体采用较厚的金属板制造，通过增大浮空器的体积来产生更大的浮力抵消自身的重量和载荷的重量，内部采用薄片材料组成相互独立的气室，薄片材料与浮空器主体内壁相连，实现了一种长寿命、抗破坏能力强、不容易泄漏气体、可安全使用氢气作为填充气体的大型金属结构浮空器，为空中旅馆、空中城市、空中太阳能电站、空中风力发电站的实现铺平道路。
文档编号B64B1/24GK102030099SQ201010528820
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月30日 优先权日2010年10月30日
发明者任永斌 申请人:任永斌