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Dokumentenidentifikation DE60009875T2 27.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001159190
Titel LUFTSCHIFF- SOLARZELLENMATRIXORIENTIERUNG
Anmelder Advanced Technologies Group Ltd., Bedford, Bedfordshire, GB
Erfinder HILLSDON, Reginald Harold, Wellingborough, Northamptonshire NN9 6RD, GB
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 60009875
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.02.2000
EP-Aktenzeichen 009018169
WO-Anmeldetag 08.02.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/GB00/00377
WO-Veröffentlichungsnummer 0000047466
WO-Veröffentlichungsdatum 17.08.2000
EP-Offenlegungsdatum 05.12.2001
EP date of grant 14.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2006
IPC-Hauptklasse B64B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B64B 1/58(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit Solarzellenarraymitteln versehenes Luftschiff und ein Verfahren zum Ausrichten von am Luftschiff angebrachten Solarzellenarraymitteln im Fluge, wie im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 definiert und aus der US-A-4364532 bekannt.

Hintergrund der Erfindung

Da ein Luftschiff zum Antrieb nur eine geringe Energiemenge verwendet, eignet es sich naturgemäß zum Antrieb durch von am Luftschiff angebrachten Solarzellenarrays abgeleitete Solarenergie. Für viele Luftschiffanwendungen, einschließlich unbemannter langer Dauerflüge, kann in Anspruch genommen werden, dass Solarenergie das einzige praktische Energiemedium ist, das unter gegenwärtigen ökologischen Übereinkünften zum Antrieb solcher Luftschiffe akzeptabel ist.

Eine Eigenschaft einer Solarzelle besteht darin, dass sie ihre Maximalleistung erreicht, wenn die einfallende Sonneneinstrahlung senkrecht, das heißt in einem Winkel von 90° zur Zelle verläuft. Zur Aufnahme ausreichender Energie für Antriebszwecke, ist es erforderlich, eine große Anzahl von Solarzellen an einem Luftschiff anzubringen, zum Beispiel durch Montage mehrerer Arrays, die am Außenrumpf des Luftschiffes befestigt sind. Da ein Luftschiff aus aerodynamischen Gründen in der Regel in Form eines Rotationskörpers ausgebildet ist, weisen die verschiedenen Solarzellen zu jedem Zeitpunkt in verschiedene Richtungen, und somit empfangen zu jedem Zeitpunkt nur einige der Solarzellen die maximale Menge an einfallender Sonnenstrahlung. Somit empfangen bei großen Solarzellenarrays auf der Fläche eines Luftschiffes viele Solarzellen weniger als Maximalenergie. Unter bestimmten Umständen empfängt jegliche Solarzelle auf der von der Sonne weg weisenden „dunklen Seite" des Luftschiffes praktisch keine Sonnenstrahlung außer einer geringen Menge an reflektierter Sonnenstrahlung.

Da bei jeglichem sich in der Luft befindenden Luftschiff angenommen werden muss, dass es einen willkürlichen Kurs fliegen kann, kann nicht garantiert werden, dass Sonnenstrahlung über einen vorhersagbaren Azimutwinkelbereich auftritt.

Dies führt zu einer Situation, in der Luftschiffkonstrukteure es bis zum heutigen Tage als erforderlich ansehen, zur Bereitstellung ausreichender Energie zum Betrieb eines Luftschiffes den Großteil der Luftschiffrumpffläche mit Solarzellen zu bedecken, um zu gewährleisten, dass unabhängig von der Ausrichtung des Luftschiffes und der Sonnenposition bezüglich des Luftschiffes ausreichend Energie erzeugt werden kann. Wenn ein Luftschiff zum Empfang von Sonnenstrahlung positioniert ist, fängt in der Praxis in der Regel weniger als die Hälfte der Gesamtanzahl von Solarzellen eines herkömmlich angeordneten Zellenarrays, das an der Außenfläche des Luftschiffes angebracht ist, zu jedem beliebigen Zeitpunkt Energie auf. Dies ist eindeutig ein hoch ineffizientes System sowohl im Hinblick auf Kosten als auch, was noch wichtiger ist, im Hinblick auf das Gewicht großer Solarzellenarrays. Auf großen Betriebshöhen ist das Gewicht absolut kritisch, und Gewichtseinsparungen können beim Erreichen eines „aufgetriebenen" Luftschiffes entscheidend sein.

Es sind viele solargetriebene Luftschiffe vorgeschlagen worden, und es gibt eine Vielzahl an Veröffentlichungen. Die meisten Autoren akzeptieren die Höhen- und Wetterbedingungen, die die praktische Verwendung von Luftschiffen beschränken. Bisher ist, soweit bekannt, noch kein solargetriebenes Luftschiff erfolgreich gewesen.

Ein bekanntes solargetriebenes Luftfahrzeug ist aus der US-A-5,518,205 bekannt. Dieses bekannte Luftfahrzeug weist ein Paar aufgeblasener Rümpfe auf, die durch vordere und hintere Flügel verbunden sind und von denen durch Aufhängungsdrähte eine Gondel gestützt wird. Der vordere Flügel trägt ein Solarzellenarray auf seiner Oberseite. Durch Einstellen der Position der Gondel kann das Luftfahrzeug in Schräglage gebracht werden, damit das Solarzellenarray optimal der einfallenden Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Die Aerodynamik solch eines Luftfahrzeugs wird durch das Bringen eines solchen zwei Rümpfe aufweisenden Luftfahrzeugs in Schräglage natürlich wesentlich geändert.

Offenbarung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Anzahl von Solarzellen zu verringern, die an einem Luftschiff für Energieanforderungen des Luftschiffes erforderlich sind, zum Beispiel für den Antrieb sorgen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mittel zum Ändern der Ausrichtung von am Rumpf eines Luftschiffes angebrachten Solarzellenarraymitteln bereitzustellen, um die Menge an durch die Solarzellenarraymittel aufgefangener Sonnenstrahlung zu erhöhen und vorzugsweise zu maximieren.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Luftschiff bereitgestellt, das ein Gasmantelmittel umfasst, wie in Anspruch 1 definiert.

Durch Bereitstellen von Mitteln zum Drehen der Solararraymittel um die Längsachse des Rumpfes sind die Solararraymittel in der Lage, der Sonne bei ihrer Bewegung über den Himmel zu „folgen". Zum Beispiel sind die Solararraymittel in einem Bogen um die Längsachse des Rumpfes zwischen Endpositionen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Auftriebsmittelpunkts des Luftschiffes versetzt sind, drehbar.

Das Solarzellenarraymittel ist vorzugsweise starr am Luftschiffrumpf, zum Beispiel an einem oberen Viertel des Luftschiffrumpfs, angebracht. In diesem Fall kann das Drehmittel dahingehend betrieben werden, ein Rollen des gesamten Rumpfes zu bewirken, um es dem Solararraymittel zu ermöglichen, der Sonne bei ihrer Überquerung des Himmels zu folgen. Obgleich bevorzugt wird, dass das Solararraymittel starr am Luftschiffrumpf befestigt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und soll Solarzellenarraymittel mit umfassen, die bezüglich des Luftschiffrumpfs beweglich sind.

Das Solararraymittel erstreckt sich entlang einer ausreichenden Länge des Rumpfes, um die erforderliche Arrayfläche für die Grundenergieanforderungen des Luftschiffes bereitzustellen.

Vorzugsweise enthält das Gewichtsverlagerungsmittel zur Bewirkung der Drehung des Solarzellenarraymittels bewegliche Gewichtsmittel, wobei die Schwerpunkte der Solarzellenarraymittel und der Gewichtsmittel auf einander gegenüberliegenden Seiten des Auftriebsmittelpunkts des Luftschiffes liegen. Somit kompensieren sich das Gewicht des Solarzellenarraymittels und des Gewichtsmittels oder wirken, einander entgegen und verhindern, dass eine permanente Rollkraft auf das Luftschiff wirkt. Durch Ändern des „seitlichen Versatzes" des Gewichtsmittels (das heißt des Abstands zwischen dem Schwerpunkt des Gewichtsmittels und einer durch den Auftriebsmittelpunkt des Luftschiffes verlaufenden Vertikalebene) wird ein Rollen des Luftschiffes bewirkt, wodurch auch das fest am Luftschiffrumpf angebrachte Solararraymittel gedreht wird.

Zur Maximierung der Gewichtsersparnis umfasst das Gewichtsmittel vorzugsweise ein Nutzlastmodul des Luftschiffes, das seitlich versetzt sein kann, um dem Gewicht des Arraymittels entgegenzuwirken. Da das Luftschiff zum Tragen einer Nutzlast konzipiert ist, sind keine zusätzlichen Gewichtsmittel dazu erforderlich, das Gewicht der Solararraymittel zu kompensieren.

Bei gewissen Konstruktionen für große Höhen kann das Nutzlastmodul vollständig im Rumpf enthalten sein. Somit kann das Luftschiff für eine bestimmte Ausrichtungsrichtung des Solararraymittels auf pendelstabile Weise konfiguriert sein. Das Nutzlastmodul ist zweckmäßigerweise zur Bewegung in einem Bogen um den Auftriebsmittelpunkt angebracht. Somit bewirkt eine Bewegung des Nutzlastmoduls entlang dem Bogen ein Rollen des Luftschiffes um seine Längsachse, bis der Schwerpunkt des ganzen Fahrzeugs wieder direkt unter dem Auftriebsmittelpunkt liegt. Durch Bewegen des Nutzlastmoduls in einem Bogen unter dem Auftriebsmittelpunkt kann Pendelstabilität aufrechterhalten werden. Unter Verwendung dieses Systems ist es möglich, ein Drehen des Solararraymittels von über 90 Grad zu erreichen. Dadurch wird es dem Luftschiff nicht nur gestattet, das Solararraymittel gemäß der Bewegung der Sonne über den Himmel während der Tageslichtstunden auszurichten, sondern auch (aufgrund von herrschenden Wind- und Lagehaltungsanforderungen) in die entgegengesetzte Richtung zu fliegen und noch immer das Solararraymittel auf der zur Sonne weisenden Seite des Luftschiffes zu halten. Dies ist besonders auf größeren Betriebshöhen wichtig.

Zweckmäßigerweise enthält das Drehmittel Seil- und Windenmittel. In der Regel umfasst das Seil- und Windenmittel eine Reihe von kleinen Winden, die Aufhängungsmittel zum Aufhängen des Nutzlastmoduls am Luftschiffrumpf bildende Seile ein- und ausziehen. Die Steuerung der Betätigung der Seil- und Windenmittel würde einen integralen Teil des Gesamtflugsteuerungssystems des Luftschiffs bilden.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Auffangen von auf Solarzellenarraymittel, einfallender Sonnenstrahlung bereitgestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben; es zeigen darin:

1 eine schematische Ansicht eines Stratosphärenluftschiffes im Flug; und

2a, 2b und 2c schematische Ansichten, die zeigen, wie das Luftschiff nach 1 gerollt werden kann, um an der Außenseite des Luftschiffes angebrachte Solararraymittel neu auszurichten.

Durchführungsweisen der Erfindung

1 ist eine schematische Ansicht eines Stratosphärenluftschiffes 1 im Flug. Das Luftschiff 1 weist einen Einfachrumpf 2 auf, der aus einem mit Gas, das leichter als Luft ist, in der Regel Helium, gefüllten Gasmantel besteht. Im Folgenden wird auf Helium als das den Mantel füllende Gas Bezug genommen, obgleich natürlich auch, andere Gase verwendet werden könnten. Mindestens ein Array 3 aus Solarzellen ist fest am Rumpf 2 angebracht. Wie gezeigt, erstreckt sich das Solarzellenarray 3 nur über ein Viertel des Umfangs des Rumpfes 2 und ist am vorderen Ende des Luftschiffes positioniert. Nach dem Start wird der Gasmantel des Rumpfes nur teilweise mit Helium gefüllt, in der Regel sind nur 6 – 8% des Endvolumens des Rumpfes 2 mit Helium gefüllt, und das Luftschiff weist nicht die in 1 gezeigte „aufgeblasene" Form auf. Nach dem Start des teilweise mit Gas gefüllten Luftschiffs dehnt sich das Helium allmählich aus, während das Luftschiff durch die Atmosphäre zu seiner. Betriebshöhe, zum Beispiel ca. 70 000 Fuß, steigt. Auf Betriebshöhe weist das Luftschiff die in 1 schematisch gezeigte Gestalt und Form auf.

Das Luftschiff 1 weist eine innere Nutzlast auf, die in einer Gondel 5 angeordnet ist (siehe 2a – c). Die Gondel ist mittels Seilen 610 am Rumpf 2 befestigt. Das Seil 6 erstreckt sich von der Gondel 5 zu einem Befestigungspunkt 13 am Rumpf 2. Das Seil 7 erstreckt sich von der Gondel zu einer, Rolle 14, um die herum das Seil 8 läuft, wobei seine gegenüberliegenden Enden an Befestigungspunkten 15 und 16 mit dem Rumpf verbunden sind. Das Seil 9 erstreckt sich von der Gondel 5 zu einer Rolle 17, um die herum das Seil 10 läuft, wobei seine gegenüberliegenden Enden an Befestigungspunkten 18 und 19 mit dem Rumpf verbunden sind. An der Gondel sind (nicht gezeigte) Winden zur Änderung der Länge der Seile 6, 7 und 9 vorgesehen.

In der in 2a gezeigten Position ist das Solarzellenarray 3 links der eine Längsachse 20 des Luftschiffs 1 durchquerenden Vertikalebene V angebracht. Der Schwerpunkt 21 des Solarzellenarrays 3 ist auch links der Achse 20 positioniert, und das Gewicht des Arrays ist dadurch ausgeglichen, dass die Gondel 5 rechts der Längsachse positioniert ist. Somit befindet sich das Luftschiff in einem stabilen Zustand, wobei die Gewichte des Arrays 3 und der Gondel 5 jeglicher Tendenz des Luftschiffes zum Rollen entgegenwirken.

Das Luftschiff kann zum Rollen gebracht werden, indem die Gondel 5 unterhalb der Achse 20 zur Vertikalebene V bewegt wird. Wie in den Zeichnungen gezeigt, wird die Gondel 5 entlang einer bogenförmigen Bahn 22 auf dem Punkt 23 in der Vertikalebene V zentriert bewegt. Die Bewegung der Gondel erfolgt durch Betätigung der (nicht gezeigten) Winden der Gondel 5. Insbesondere werden die Winden zum Kürzen der Seile 6 und 7 und zum Verlängern des Seils 9 bei Neuausrichtung des Solarzellenarrays 3 in die in 2b gezeigte Position betätigt. In 2b sind der Schwerpunkt 21 des Arrays 3 und der der Gondel 5 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Längsachse 20 in der Vertikalebene V positioniert. Der Rumpf des Luftschiffes ist über ca. 45° gedreht worden, und das Solarzellenarray ist so positioniert, dass es nach oben weist, um von direkt über dem Luftschiff darauf einfallende Sonnenstrahlung zu empfangen.

Wenn die Winden nun zur Vergrößerung der Längen der. Seile 6 und 9 und zur Verringerung der Länge des Seils 7 betätigt werden, wird die Gondel 5 (mit Blickrichtung gemäß den Figuren) nach links von der Vertikalebene V weg bewegt und der Rumpf 2 dreht sich oder rollt im Uhrzeigersinn. 2c zeigt den Rumpf 2 und das Array 3 in ihrer anderen Endposition.

Durch geeignete Betätigung der Winden kann ein Rollen des Rumpfes 2 entgegen dem Uhrzeigersinn in die in 2a gezeigte Position bewirkt werden, in der er zum Empfang einfallender Sonnenstrahlung bei Tagesanbruch am folgenden Tag bereit ist.

Es versteht sich, dass die Position der Gondel 5 so gesteuert wird, dass das Luftschiff zur Ausrichtung des Solarzellenarrays 3 wie erforderlich gerollt wird. Somit kann durch kontinuierliche Steuerung der Winden, die so gesteuert werden, dass sie die Seile ein- und ausziehen, bewirkt werden, dass das Array 3 die Sonne bei ihrer Bewegung über den Himmel folgt. Somit wird die Position des Solarzellenarrays gesteuert, und zwar vorzugsweise zur Maximierung oder Erhöhung der Menge an einfallender Strahlung, die durch das Solarzellenarray aufgefangen wird. Die Steuerung der Winden bildet einen Teil eines Gesamtflugsteuerungssystems für das Luftschiff, das auch andere die Steuerung des Luftschiffes betreffende Steuerinformationen, wie zum Beispiel die Position anderer Steuerflächen, den Betrieb von Schubumlenkungssystemen und dergleichen, erhalten würde.

Die Verwendung eines Einfachrumpfluftschiffes der beschriebenen Art gestattet ein Rotieren oder Drehen des Rumpfes um seine Längsachse über relativ große Winkel, zum Beispiel bis zu und über 90°. Da ein Luftschiff im Wesentlichen die Form eines Rotationskörpers aufweist, wird die Aerodynamik des Luftschiffes nicht zu einem hohen Grad oder großen Maß geändert, indem es um seine Längsachse gedreht wird.

Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf nichtstarre Luftschiffe beschrieben worden ist, findet sie auch auf andere Luftschiffarten Anwendung. Zum Beispiel könnte ein Solarzellenarray beweglich am Rumpf eines starren oder halbstarren Luftschiffes zur Bewegung bezüglich des Rumpfes zum Folgen der den Himmel überquerenden Sonne angebracht sein.

Die Erfindung soll sowohl ein Luftschiff im Flug als auch in einem nicht aufgeblasenen Zustand auf dem Boden umfassen. Der Begriff „Luftschiff" soll somit ein Luftschiff mit einem nicht aufgeblasenen oder teilweise aufgeblasenen Mantel umfassen.


Anspruch[de]
  1. Luftschiff (1) mit einem Gasmantelmittel zur Bereitstellung eines Rumpfes (2) im Gebrauch mit einer sich allgemein in Längsrichtung erstreckenden Längsachse (20) und Solarzellenarraymitteln (3), die im Gebrauch zur Befestigung an der Außenseite des Rumpfes (2) so angeordnet sind, dass sie sich nur um einen Teil des Umfangs des Rumpfes (2) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass Gewichtsverlagerungsmittel (610) dazu vorgesehen sind, das Solarzellenarraymittel (3) im Gebrauch um die Rumpflängsachse (20) zu drehen, um die Menge an einfallender Sonnenstrahlung, die durch das Solarzellenarraymittel (3) aufgefangen wird, zu steuern, zum Beispiel zu erhöhen oder zu maximieren.
  2. Luftschiff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenarraymittel (3) mit dem Luftschiffrumpf (2) starr verbunden ist.
  3. Luftschiff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Solarzellenarraymittel (3) entlang einer ausreichenden Länge des Rumpfes (2) erstreckt, um die erforderliche Arrayfläche für die Grundenergieanforderungnen des Luftschiffes bereitzustellen.
  4. Luftschiff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverlagerungsmittel zur Bewirkung der Drehung des Solarzellenarraymittels (3) bewegliche Gewichtsmittel (5) enthält, wobei die Schwerpunkte der Solarzellenarraymittel (3) und der Gewichtsmittel (5) auf einander gegenüberliegenden Seiten einer die Längsachse (20) oder Auftriebsachse des Luftschiffes durchquerenden vertikalen Ebene angeordnet sind.
  5. Luftschiff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsmittel (5) ein Nutzlastmodul des Luftschiffes umfasst, das seitlich versetzt sein kann, um dem Gewicht des Arraymittels (3) entgegenzuwirken.
  6. Luftschiff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzlastmodul (5) vollständig im Rumpf (2) enthalten ist.
  7. Luftschiff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverlagerungsmittel (610) Seil- und Windenmittel enthält.
  8. Luftschiff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil- und Windenmittel eine Reihe von Winden umfasst, die Aufhängungsmittel zum Aufhängen von Gewichtsmitteln (5) vom Luftschiffrumpf (2) bildende Seile (6, 7, 9) ein- und ausziehen.
  9. Verfahren zum Auffangen von auf ein außen an einem Rumpf (2) eines Luftschiffes angebrachter Solarzellenarraymittel (3) einfallender Sonnenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass man bei dem Verfahren das Solarzellenarraymittel (3) um eine Längsachse des Rumpfes (2) dreht, wobei Gewichtsverlagerungsmittel zur Steuerung der Menge der durch das Solarzellenarraymittel (3) aufgefangenen einfallenden Sonnenstrahlung verwendet werden.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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