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Dokumentenidentifikation DE60304234T2 17.08.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001327580
Titel Verfahren und System zur Auswahl des Hüllenparameters eines Luftschiffes und Verfahren zum Einstellen seiner Aufstiegsrate
Anmelder Kawasaki Jukogyo K.K., Kobe, Hyogo, JP
Erfinder Kurose, Toyotoshi, Seki-shi, Gifu-ken, JP
Vertreter Grosse, Bockhorni, Schumacher, 81476 München
DE-Aktenzeichen 60304234
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.01.2003
EP-Aktenzeichen 030008049
EP-Offenlegungsdatum 16.07.2003
EP date of grant 29.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.08.2006
IPC-Hauptklasse B64B 1/40(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B64B 1/58(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B64B 1/62(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B64B 1/70(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hüllenparametereinstellverfahren zum Einstellen geeigneter Hüllenparameter, die die Hülle eines Luftschiffs charakterisieren, das durch eine zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passende Auftriebssteuerung auf große Höhen in der Stratosphäre aufsteigt und daraus heruntersinkt, ein Hüllenparametereinstellsystem zum Ausführen des Verfahrens und ein Verfahren zum Regulieren der Aufstiegsrate des Luftschiffs, für das die Hüllenparameter eingestellt werden.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein Luftschiff, das durch Auftriebssteuerung in große Höhen in der Stratosphäre aufsteigt und daraus heruntersinkt ist ein sehr großes Luftfahrzeug, das mit einem mit Heliumgas gefüllten Heliumraum und einem mit Luft gefüllten Luftraum versehen ist, und das einen Durchmesser von mehreren zehn Metern und eine Länge (Höhe) im Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert Metern besitzt. Unter Bezug auf 6, die ein herkömmliches Luftschiff 1 zeigt, besitzt das Luftschiff 1 eine Hülle, die mit einem Heliumraum 2 und einem vom Heliumraum 2 getrennten Luftraum 3 versehen ist. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Hülle beim Aufsteigen des Luftschiffs 1 zunimmt, wird Luft durch ein Auslassventil 5 ausströmen gelassen, um die Hüllendichte zu verringern. Das Luftschiff 1 steigt weiter auf, bis die im Luftraum der Hülle enthaltene Luft ausgestoßen ist. Beim Aufsteigen des Luftschiffs 1 und dem Ausströmen der Luft aus der Hülle dehnen sich die Luft und das Heliumgas, die in der Hülle enthalten sind, aus, und die jeweiligen Temperaturen der Luft und des Heliumgases sinken entsprechend. Folglich wird es unmöglich, dass sich die Luft und das Heliumgas ausdehnen, die Luftauslassrate, mit der Luft aus der Hülle ausströmen gelassen wird, nimmt ab, und die Aufstiegsrate nimmt ab. Dem Luftschiff 1 wird thermische Energie von der Sonne und der Erde und durch Übertragen von der Atmosphäre zugeführt, um die jeweiligen Temperaturen der Luft und des Heliumgases, die in der Hülle enthalten sind, zu erhöhen. Folglich erhöht sich die Temperatur der Luft, die Luft dehnt sich aus, die Luft strömt aus, und das Luftschiff 1 steigt weiter auf. In 6 sind ein Lufttemperatur/Differenzdruck-Sensor 6, der geeignet ist, die Temperatur der Luft in der Hülle und die Druckdifferenz zu messen, ein motorbetätigtes Heliumventil 6, ein Heliumtemperatur/Druckdifferenz-Sensor 7, ein Atmosphärentemperatur/Feuchtigkeits-Sensor 8, ein Außenhauttemperatursensor 9 und eine Bordausstattung 10 gezeigt.

Das herkömmliche Luftschiff 1 ist so gestaltet, dass es geeignet ist, in der Standardatmosphäre, die einen Standardatmosphärendichtegradient, der eine durchschnittliche Atmosphärenumgebung kennzeichnet, besitzt, aufzusteigen. Die Aufsteigeleistungsfähigkeit des Luftschiffs 1 ist stark von der Rate der Dichteänderung der das Luftschiff 1 umgebenden Atmosphäre abhängig. Die Atmosphärendichte nimmt mit der Höhe ab. In der aktuellen Atmosphärenumgebung wird die Verringerungsrate der Atmosphärendichte durch meteorologische Land- und Meeresfaktoren, die jahreszeitliche Faktoren umfassen, und geographische Faktoren beeinflusst. Die Atmosphärendichte nimmt an unterschiedlichen Tagen, zu unterschiedlichen Zeiten beziehungsweise an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Verringerungsraten ab. Falls die Atmosphärentemperaturverteilung einen Teilbereich einer Diskontinuität besitzt, in der die Atmosphärentemperatur nicht monoton mit der Höhe abnimmt, d.h. falls die Atmosphäre eine Temperaturinversionsschicht besitzt, in der die Atmosphärentemperatur mit der Höhe steigt, nimmt die Verringerungsrate der Atmosphärendichte in der Temperaturinversionsschicht schnell zu. Folglich nimmt der Auftrieb des Luftschiffs unter Auftriebssteuerung ab, und das Luftschiff ist nicht in der Lage, über die Temperaturinversionsschicht hinaus aufzusteigen und bleibt für einige Zeit auf derselben Höhe, was die Zeitdauer verlängert, die das Luftschiff benötigt, um auf eine gewünschte Höhe aufzusteigen.

Das Auftreten der Temperaturinversionsschicht wird unter Bezug auf die 7A bis 9B beschrieben, die Diagramme zeigen, die die aktuellen Bedingungen der Atmosphäre um 9:00 Uhr im Mai und Juni 1995 bei Nemuro, Hokkaido zeigen. Die in den 7A, 8A und 9A gezeigten Diagramme zeigen die Variation der Temperatur mit der Höhe, und die in den 7B, 8B und 9B gezeigten Diagramme zeigen den Zusammenhang von Höhe, Geschwindigkeit, Druckdifferenz und verstrichener Zeit, seitdem das Luftschiff mit dem Aufsteigen begonnen hat. Wie aus 7A ersichtlich, nahm die Temperatur monoton mit der Höhe ab. Die relative Häufigkeit von Tagen, an denen die Aufstiegsdauer 1 h (3600 s) oder weniger beträgt, betrug, wie in 7B gezeigt, an einundsechzig Tagen in Mai und Juni 16,4 % (zehn Tage). Keiner der einundsechzig Tage in Mai und Juni genügte Luftschiffaufstiegstestbedingungen, die eine Oberflächenwindgeschwindigkeit von 5 m/s oder darunter und einen Wolkenmenge von 40 % oder darunter umfassen. Wie aus 8A ersichtlich, besaß der Temperaturgradient einen diskontinuierlichen Teilbereich in Höhen im Bereich von 1 bis 2 km. Das Luftschiff wurde während des Aufstiegs vorübergehend von der Temperaturinversionsschicht gefangen, und die relative Häufigkeit von Tagen, an denen die Aufstiegszeitdauer im Bereich von 1 bis 2 h lag, betrug, wie in 8B gezeigt, an einundsechzig Tagen in Mai und Juni 72,1 % (vierundvierzig Tage). Wie in 9A gezeigt, hatte der Temperaturgradient einen diskontinuierlichen Teilbereich in Höhen im Bereich von 0 bis 2 km. Das Luftschiff blieb während des Aufstiegs einige Zeit in der Temperaturinversionsschicht, und die relative Häufigkeit von Tagen, an denen die Aufstiegszeitdauer nicht kürzer als 2 h war, betrug, wie in 9B gezeigt, an einundsechzig Tagen in Mai und Juni 11,5 % (sieben Tage). Wie aus diesen Diagrammen ersichtlich, treten Temperaturinversionsschichten häufig auf. Daher ist das herkömmliche Verfahren des Steuerns des Auftriebs eines Luftschiffs auf der Basis der Standardatmosphärenbedingungen nicht geeignet zu bewirken, dass das Luftschiff die notwendige Aufstiegsleistungsfähigkeit besitzt.

Die Aufstiegsrate des Luftschiffs ist von dem üblichen Effekt des Ausdehnens/Zusammenziehens der Luft und des Heliumgases in der Hülle, dem Betrag der dem Luftschiff durch Sonnenstrahlung zugeführten thermischen Energie, der Wärmeaustauschrate zwischen dem Luftschiff und der Atmosphäre durch Konvektion, der Wärmeaustauschrate zwischen dem Luftschiff und der Erde, dem Weltall und der Atmosphäre, der Luftzufuhr zur Hülle und dem Luftausströmen aus dieser, und der aerodynamischen Eignung der Hülle abhängig. Daher müssen geeignete Hüllenparameter eingestellt werden, die diese Faktoren, die die Aufstiegsrate beeinflussen, erfassen. Jedoch ist das Luftschiff nicht in der Lage, gemäß einem geeigneten Aufstiegsprofil aufzusteigen, wenn die Hüllenparameter nicht zu den aktuellen Umgebungsluftbedingungen unmittelbar vor dem Beginn des Aufstiegs passen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen geeigneter Parameter der Hülle eines Luftschiffs, so dass das Luftschiff in der Lage ist, gemäß einem geeigneten Aufstiegsprofil aufzusteigen, das zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passt, ein System zum Ausführen des Verfahrens und ein Verfahren zum Regulieren der Aufstiegsrate des Luftschiffs bereitzustellen.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hüllenparametereinstellverfahren zum Einstellen von Parametern einer Hülle eines Luftschiffs, das mit einem Heliumraum und einem vom Heliumraum getrennten Luftraum versehen ist, umfassend:

Starten einer Beobachtungsvorrichtung, die zum Beobachten einer oberen Luftumgebung gestaltet ist, unmittelbar vor dem Starten des Luftschiffs, um Umgebungsluftdaten über aktuelle Bedingungen der oberen Umgebungsluft, einschließlich Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Temperatur, zu erhalten; Bestimmen eines Aufstiegsprofils für das Luftschiff mit einer Simulation, die die Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft verwendet; Bestimmen einer Anfangsmenge eines Heliumgases in dem Heliumraum des Luftschiffs, die zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passt; und Regulieren einer Menge des in dem Heliumraum enthaltenen Heliumgases auf die Anfangsmenge des Heliumgases, um einen Anfangsauftrieb einzustellen.

Vorzugsweise umfasst das Hüllenparametereinstellverfahren des Weiteren: Beobachten von Veränderungen in der oberen Umgebungsluft mit einem meteorologischen Beobachtungsinstrument in einem Zeitraum zwischen einem Abschluss des Regulierens der Anfangsmenge des Heliumgases und einem Starten des Luftschiffs nach dem Erhalten der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft unter Verwendung der Beobachtungsvorrichtung; Korrigieren des Aufstiegsprofils für das Luftschiff mit einer Simulation unter Verwendung sowohl der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft als auch von Daten über die obere Umgebungsluft, die durch Beobachten der Veränderungen in der oberen Umgebungsluft mit dem meteorologischen Beobachtungsinstrument erhalten werden; Bestimmen einer für die neuesten Bedingungen der oberen Umgebungsluft passende Anfangsmenge von Heliumgas im Heliumraum; und Regulieren der Menge von Heliumgas im Heliumraum auf die Anfangsmenge des Heliumgases, um den Anfangsauftrieb einzustellen.

Vorzugsweise umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hüllenparametereinstellsystem zum Einstellen von Hüllenparametern für eine Hülle eines Luftschiffs, aufweisend:

ein Beobachtungssystem, das eine zum Beobachten einer oberen Luftumgebung gestaltete Beobachtungsvorrichtung umfasst, die gestartet wird, um Umgebungsluftdaten über aktuelle Bedingungen einer oberen Umgebungsluft einschließlich Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Temperatur zu erhalten; einen auf einem Grund montierten Simulator zur Bestimmung eines Aufstiegsprofils für das Luftschiff mit einer Simulation, die die Umgebungsluftdaten der aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft, die vom Beobachtungssystem geliefert werden, verwendet, und zur Bestimmung einer für die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft passende Anfangsmenge von Heliumgas im Heliumraum;

und eine auf dem Grund oder der Hülle montierte Heliumgassteuerung zur Regulierung einer Menge von Heliumgas im Heliumraum entsprechend der vom Simulator bestimmten Anfangsmenge von Heliumgas.

Vorzugsweise umfasst das Hüllenparametereinstellsystem des Weiteren ein meteorologisches Beobachtungssystem, das ein meteorologisches Beobachtungsinstrument zum Beobachten von Änderungen in der oberen Umgebungsluft in einem Zeitraum zwischen einem Abschluss des Regulierens der Menge von Heliumgas und einem Starten des Luftschiffs nach dem Erhalt der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft und dem Senden von mit dem meteorologischen Beobachtungssystem erhaltenen Daten über die obere Umgebungsluft an den Simulator umfasst.

Vorzugsweise umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Aufstiegsratenregulierverfahren, das ausgelegt ist, um verwendet zu werden, um eine Aufstiegsrate eines Luftschiffs zu regulieren, von dem Hüllenparameter durch das Hüllenparametereinstellverfahren eingestellt werden, wobei die Aufstiegsrate, mit der das Luftschiff aufsteigt, gemäß Änderungen von aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft durch Regulieren einer Anzahl von zu betätigenden Luftauslassventilen aus einer Mehrzahl von Luftauslassventilen des Luftschiffs oder Regulieren von Charakteristiken der Luftauslassventile zum Regulieren der Luftauslassrate reguliert wird.

Vorzugsweise umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.

Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Aufstiegsratenregulierverfahren, das ausgelegt ist, um verwendet zu werden, um eine Aufstiegsrate eines Luftschiffs zu regulieren, von dem Hüllenparameter mit dem Hüllenparametereinstellverfahren eingestellt wurden, wobei das Luftschiff mit einem Ballast beladen wird, wenn das Luftschiff beim Startgewicht noch Reserven hat, und der Ballast abgeworfen wird, wenn die Aufstiegsrate des Luftschiffs während des Aufsteigens sinkt, um einen Auftrieb des Luftschiffs zu erhöhen und um eine Aufstiegsfähigkeit des Luftschiffs zu steigern.

Vorzugsweise umfasst der Ballast Wasser.

Vorzugsweise umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser verständlich. Dabei ist:

1: ein Blockschaubild eines Hüllenparametereinstellsystems als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einstellen von Parametern der Hülle eines Luftschiffs;

2A, 2B, 2C und 2D: Diagramme zur Hilfe beim Erklären eines Hüllenparametereinstellverfahrens als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

3: ein Blockschaubild eines Hüllenparametereinstellsystems als eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einstellen von Parametern der Hülle eines Luftschiffs;

4A bis 4J: Schaubilder, die Aufstiegsprofile zeigen, die durch Simulation bestimmt wurden, die Daten verwendet, die durch Einstellen von Stellen, Datum und Zeiten für Stratosphärenflugtests durch ein Hüllenparametereinstellverfahren als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden;

5: eine schematische Ansicht eines mit Ballast beladenen Luftschiffs, wenn das Luftschiff hinsichtlich des Startgewichts noch Reserven hat, vor dem Starten des Luftschiffs, für das Hüllenparameter eingestellt sind;

6: eine Ansicht eines sehr großen herkömmlichen Luftschiffs, das eine Hülle besitzt, die mit einem Heliumraumn und einem vom Heliumraum getrennten Luftraum versehen ist;

7A und 7B: ein Diagramm, das die Variation der Temperatur mit der Höhe zeigt, wobei die Höhe durch Simulieren der aktuellen Atmosphäre bei Nemuro, Hokkai-do am 27. Mai 1995 bestimmt wurde, und ein Diagramm, das den Zusammenhang von Höhe, Geschwindigkeit beziehungsweise Druckdifferenz und der verstrichenen Zeit, seitdem das Luftschiff begonnen hat aufzusteigen, zeigt;

8A und 8B: ein Diagramm, das die Variation der Temperatur mit der Höhe zeigt, bestimmt durch Simulieren der aktuellen Atmosphäre bei Nemuro, Hokkai-do am 23. Juni 1995, und ein Diagramm, das den Zusammenhang von Höhe, Geschwindigkeit beziehungsweise Druckdifferenz und der verstrichenen Zeit, seitdem das Luftschiff begonnen hat aufzusteigen, zeigt; und

9A und 9B: ein Diagramm, das die Variation der Temperatur mit der Höhe zeigt, bestimmt durch Simulieren der aktuellen Atmosphäre bei Nemuro, Hokkai-do am 14. Juni 1995, und ein Diagramm, das den Zusammenhang von Höhe, Geschwindigkeit beziehungsweise Druckdifferenz mit der verstrichenen Zeit seitdem das Luftschiff begonnen hat aufzusteigen, zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Folgenden werden ein Hüllenparametereinstellverfahren zum Einstellen geeigneter Hüllenparameter, die die Hülle eines Luftschiffs charakterisieren, ein Hüllenparametereinstellsystem zum Ausführen des Hüllenparametereinstellverfahrens und ein Verfahren zum Regulieren der Aufstiegrate des Luftschiffs, für das Hüllenparameter eingestellt werden, als Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ein Hüllenparamet, ereinstellsystem als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 beschrieben. Ein Beobachtungssystem umfasst eine GPS-Sonde 11, die meteorologische Bedingungen in großen Höhen über der Erdoberfläche testet, und eine GPS-Bodeneinheit 12, die Umgebungsluftdaten über aktuelle Bedingungen der Umgebungsluft einschließlich Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Temperatur und dergleichen von der GPS-Sonde empfängt.

Die GPS-Sonde 11 ist ein Beispiel einer Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die gestaltet ist, um eine obere Luftumgebung zu beobachten. Die Beobachtungsvorrichtung kann statt der GPS-Sonde eine Sonde anderer Bauart sein. Darüber hinaus kann die Beobachtungsvorrichtung ein Beobachtungsflugzeug sein.

Ein Luftschiff 15 besitzt einen Heliumraum 17, der mit einem motorbetätigten Ventil 18 versehen ist, und einen Luftraum 16. Ein auf dem Boden montierter Simulator 13 bestimmt ein Aufstiegsprofil für das Luftschiff 15 auf der Basis der von der GPS-Bodeneinheit 12 empfangenen Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft und bestimmt eine Anfangsmenge von Heliumgas, die passend zu den aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft anfänglich in den Heliumraum 17 zu füllen ist. Eine Heliumsteuerung 14 ist entweder auf dem Boden oder in der Hülle des Luftschiffs 15 montiert. Die Heliumsteuerung 14 reguliert die Menge von im Heliumraum 17 enthaltenem Helium auf die vom Simulator 13 bestimmte Anfangsmenge von Heliumgas. Die Heliumsteuerung 14 gibt an das motorbetätigte Ventil 18 Steuersignale, um das motorbetätigte Ventil 18 zur Regulierung der Menge von im Heliumraum 17 enthaltenem Heliumgas zu steuern. Der Heliumraum 17 ist mit einer Menge von Heliumgas gefüllt, die im Voraus eine Überschussmenge von Heliumgas enthielt. Die Heliumsteuerung 14 empfängt Auftriebsinformationen von einer Auftriebsdruckmessdose 19. Die Hülle ist mit Luftauslassventilen 20 versehen.

Ein Hüllenparametereinstellverfahren als eine vom Hüllenparametereinstellsystem auszuführende Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. Die GPS-Sonde 11 wird auf große Höhen gestartet, bevor das den Luftraum 16 und den unabhängigen Heliumraum 17 besitzende Luftschiff 15 gestartet wird. Die GPS-Bodeneinheit 12 beginnt unmittelbar, nachdem die GPS-Sonde 11 gestartet worden ist, einen kontinuierlichen Empfang gemessener Umgebungsluftdaten über Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Temperatur und dergleichen von der GPS-Sonde 11. Die GPS-Bodeneinheit 12 sendet die gemessenen Umgebungsluftdaten an den Simulator 13. Der Simulator 13 bestimmt auf der Basis der gemessenen Umgebungsluftdaten durch Simulation ein Aufstiegsprofil für das Luftschiff 15 und passend zu den aktuellen Bedingungen der das Luftschiff 15 umgebenden oberen Umgebungsluft eine in den Heliumraum 17 zu füllende Anfangsmenge von Heliumgas. Die vom Simulator 13 bestimmte Anfangsmenge von Heliumgas wird an die Heliumsteuerung 14 geschickt. Dann wird zur Steuerung des motorbetätigten Ventils 18 des Heliumraums 17 an das motorbetätigte Ventil 18 ein Steuersignal gegeben, um die im Heliumraum 17 des Luftschiffes 15 enthaltene Menge von Heliumgas auf die Anfangsmenge von Heliumgas zu regulieren. Somit wird der Anfangsauftrieb des Luftschiffs 15 eingestellt. Da die Zeit, die zum Abschluss der Simulation und der Anfangsauftriebseinstellung nötig ist, in der Größenordnung von 30 min liegt, kann ein optimales Aufstiegsprofil, das zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passt, für das Luftschiff 15 unmittelbar vor dem Starten bestimmt werden.

Ein Hüllenparametereinstellverfahren als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die 2A bis 2D beschrieben. Die GPS-Sonde 11 wurde vor dem Starten des in 1 gezeigten Luftschiffs 15 auf eine große Höhe gestartet, und die GPS-Bodeneinheit 12 begann unmittelbar nach dem Starten der GPS-Sonde 11 kontinuierlich, gemessene Daten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft von der GPS-Sonde 11 zu empfangen. Es zeigte sich, dass es in einer Höhe, wie in 2A gezeigt, eine Temperaturinversionsschicht gab, in der die Atmosphärentemperatur nicht monoton mit der Höhe steigt. Wie oben erwähnt, nimmt der Auftrieb des Luftschiffs 15 in der Temperaturinversionsschicht ab, und die Aufstiegsrate des Luftschiffs 15 nimmt entsprechend ab. Folglich nimmt der Zeitraum, der nötig ist, dass das Luftschiff 15 eine gewünschte Höhe erreicht, zu. Gemessene Daten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft werden an den Simulator 13 gesendet, der Simulator 13 bestimmt durch Simulation ein Aufstiegsprofil für das Luftschiff 15, bestimmt eine anfänglich in den Heliumraum 17 zu füllende Anfangsmenge von Heliumgas, die zu den Bedingungen der oberen Umgebungsluft passt, und sendet ein Signal, das die Anfangsmenge von Heliumgas darstellt, an die Heliumsteuerung 14. Die Heliumsteuerung 14 steuert das motorbetätigte Ventil 18, um durch Regulieren der im Heliumraum 17 enthaltenen Menge von Heliumgas einen Anfangsauftrieb einzustellen. Wenn, wie in 2B gezeigt, ein falscher Anfangsauftrieb von beispielsweise 50 kgf eingestellt wird, wird die Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Luftschiffs 15 in der Höhe, wo die Temperaturinversionsschicht ausgebildet ist, Null, das Luftschiff 15 ist nicht in der Lage, die Form der Hülle beizubehalten, und das Luftschiff 15 benötigt zwei oder mehr Stunden, um über die Temperaturinversionsschicht hinaus aufzusteigen. Selbst in einem Fall, wo der Anfangsauftrieb wie in 2C gezeigt auf 100 kgf eingestellt ist, wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Luftschiffs 15 in der Höhe, wo die Temperaturinversionsschicht ausgebildet ist, Null, das Luftschiff 15 ist nicht in der Lage, die Form der Hülle beizubehalten, und das Luftschiff 15 benötigt eine Zeitdauer, die eine Stunde übersteigt, um über die Temperaturinversionsschicht hinaus aufzusteigen. Wenn der Anfangsauftrieb geeignet eingestellt wird, beispielsweise bei 150 kgf wie in 2D gezeigt, so dass die maximale Aufstiegsrate nicht übermäßig hoch ist, ist das Luftschiff 15 in der Lage, innerhalb einer Zeitdauer in der Größenordnung von 1 h auf eine gewünschte Höhe aufzusteigen. Somit wird ein zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passendes optimales Aufstiegsprofil bestimmt, das das Luftschiff 15 nicht lange in der Temperaturinversionsschicht bleiben lässt.

Ein weiteres Hüllenparametereinstellsystem, das ein weiteres Hüllenparametereinstellverfahren als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt, wird unter Bezug auf 3 beschrieben. Dieses Hüllenparametereinstellsystem umfasst zusätzlich zu den Komponenten des in 1 gezeigten Hüllenparametereinstellsystems ein meteorologisches Beobachtungssystem 25. Änderungen in aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft werden von im meteorologischen Beobachtungssystem 25 enthaltenen meteorologischen Beobachtungsinstrumenten in einem Zeitraum zwischen der Beendigung der Heliummengenregulierung und dem Starten eines Luftschiffs 15 gemessen, nachdem eine GPS-Bodeneinheit 12 Daten über aktuelle Bedingungen der oberen Umgebungsluft empfangen hat, und das meteorologische Beobachtungssystem 25 sendet Daten, die Änderungen in aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft darstellen, an einen Simulator 13.

Es wird ein weiteres vom in 3 gezeigten Hüllenparametereinstellsystem auszuführendes Hüllenparametereinstellverfahren beschrieben. Das vorliegende Hüllenparametereinstellverfahren bestimmt ähnlich wie das vorhergehende Hüllenparametereinstellverfahren vor dem Starten des Luftschiffs 15 ein optimales Aufstiegsprofil, das zu aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft passt. Aktuelle Bedingungen der oberen Umgebungsluft ändern sich in einem Zeitraum zwischen dem Abschluss der Heliummengenregulierung und dem Starten des Luftschiffs 15. Die obere Umgebungsluft wird in einem Zeitraum zwischen dem Erfassen von Daten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft und dem Starten des Luftschiffs 15 mit den meteorologischen Beobachtungsinstrumenten beobachtet, um das Aufstiegsprofil gemäß Änderungen in den aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft zu korrigieren. Ein Radiometer 21 misst die Strahlungsintensitäten der Sonne und der Atmosphäre, ein Windprofilmesser 22 und ein Doppler-Sonar 23 messen Windrichtung und Windgeschwindigkeit in der oberen Umgebungsluft, ein Windrad und ein Anemometer messen Oberflächenwindrichtung und Oberflächenwindgeschwindigkeit, und ein Lufttemperaturmesser 24 misst die Oberflächentemperatur. Das meteorologische Beobachtungssystem 25 sendet gemessene meteorologische Daten an den Simulator 13. Der Simulator 13 führt unter Verwendung der vom meteorologischen Beobachtungssystem 25 empfangenen Daten zusätzlich zu den von der GPS-Bodeneinheit gelieferten Daten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft eine Simulation durch, um das zuvor bestimmte Aufstiegsprofil auf der Basis der von der GPS-Bodeneinheit 12 gelieferten Daten über die aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft zu korrigieren, und bestimmt eine Anfangsmenge von im Heliumraum 17 zu enthaltendem Heliumgas, die zu den neuesten aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft passt. Daraufhin steuert die Heliumsteuerung 14 das am Heliumraum 17 angebrachte motorbetätigte Ventil 18, um durch Regulieren der Menge von im Heliumraum 17 enthaltenem Heliumgas auf die so bestimmte Anfangsmenge von Heliumgas einen Anfangsauftrieb einzustellen. Somit kann das zu den neusten aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft passende Aufstiegsprofil für das Luftschiff 15 unmittelbar vor dem Starten des Luftschiffs 15 eingestellt werden.

4A bis 4J zeigen Schaubilder, die durch Simulation unter Verwendung von Daten, die durch das Hüllenparametereinstellverfahren als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden, bestimmte Aufstiegsprofile zeigen. Ein Flugtestplatz wurde bei Hitachi-shi, Ibaraki-ken festgelegt, und Flugtestdatum und -zeitpunkt wurden auf 6:00 Uhr am 7. Juni 2000 für Stratosphärenflugtest festgelegt. Die Heliummenge wurde gemäß Eingabedaten über Bedingungen der Atmosphäre variiert. Die Aufstiegsprofile wurden durch Simulation für Auftriebe von 40 kgf, 60 kgf, 80 kgf, 100 kgf, 120 kgf, 140 kgf, 160 kgf, 180 kgf und 200 kgf berechnet. In den 4A bis 4J sind auch Absinkverteilungsanalysedaten gezeigt, die wichtige Bestimmungsfaktoren sind.

Die Aufstiegsrate des Luftschiffs 15 muss in Reaktion auf eine plötzliche Änderung in den aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft reguliert werden, wenn das Luftschiff 15 gestartet wird, nachdem so die Hüllenparameter eingestellt wurden. Ein Aufstiegsratenregulierverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung reguliert die Aufstiegsrate durch Ändern der Anzahl der arbeitenden Luftauslassventile 20, durch Kombinieren von motorbetätigten Ventilen mit den Luftauslassventilen 20, um ein Ausströmen von Luft bei einer vorbestimmten Druckdifferenz zu behindern, durch Kombinieren elektrischer Verriegelvorrichtungen mit den Luftauslassventilen 20, um die Betätigung der Luftauslassventile 20 einzuschränken, durch Kombinieren von Motoren oder dergleichen mit den Luftauslassventilen 20, um die Federkonstanten der Federn der Luftauslassventile 20 zu regulieren, oder durch Regeln der Luftauslasscharakteristik des Luftraums 16 der Hülle, um die Luftauslassrate zu regulieren. Wenn Luft aus dem Luftraum 16 mit einer hohen Auslassrate ausströmt, d.h. wenn die Anzahl von arbeitenden Luftauslassventilen 20 groß ist oder der eingestellte Druck der Luftauslassventile 20 niedrig ist, sinkt die Dichte der Hülle mit einer hohen Verringerungsrate, steigt entsprechend der Auftrieb, und sinkt die Aufstiegsrate des Luftschiffs 15.

Ein weiteres Aufstiegsratenregulierverfahren als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wenn das Luftschiff 15 beim Startgewicht noch Reserven hat, wie in 5 gezeigt, auf das Luftschiff 15 geladenen Ballast 26, wie etwa Wasser. Falls die Aufstiegsrate des Luftschiffs 15 während des Aufsteigens des Luftschiffs 15 bei einer Höhe plötzlich abnimmt, wird der Ballast 26 abgeworfen, um den Auftrieb zu erhöhen. Infolgedessen ist das Luftschiff 15 in der Lage zu steigen, ohne bei der Höhe zu bleiben.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, reguliert das Hüllenparametereinstellverfahren der vorliegenden Erfindung die Anfangsmenge von Heliumgas, um einen optimalen Auftrieb zu bestimmen, der zu den aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft unmittelbar vor dem Starten des Luftschiffs passt, was nicht mit dem herkömmlichen Hüllenparametereinstellverfahren gemacht werden könnte. Somit wird für das Luftschiff ein optimales Aufstiegsprofil bestimmt, und für den Aufstieg geeignete Hüllenparameter können bestimmt werden.

Das Hüllenparametereinstellsystem der vorliegenden Erfindung ist geeignet, das Hüllenparametereinstellverfahren der vorliegenden Erfindung ohne weiteres mit hoher Zuverlässigkeit auszuführen.

Das Hüllenparametereinstellverfahren und das Hüllenparametereinstellsystem der vorliegenden Erfindung sind geeignet, Informationen einschließlich der Anzahl von Tagen zu liefern, die geeignet ist, zu testen, ob eine gestaltete Hülle in der Lage ist, gemäß einem geeigneten Aufstiegsprofil aufzusteigen oder nicht, und nützlich, durch Simulation unter Verwendung von Daten über die Bedingungen der Atmosphäre bei einem Testplatz, in einem geplanten Testmonat und zu einer festgelegten Zeit ein Testprogramm aufzustellen. Somit steigert die vorliegende Erfindung die Chancen, das Luftschiff zu starten und stellt eine hohe Zuverlässigkeit beim Starten sicher.

Das Aufstiegsratenregulierverfahren der vorliegenden Erfindung reguliert die Aufstiegsrate des Luftschiffs, für das die Hüllenparameter eingestellt wurden, durch Regulieren der Anzahl der arbeitenden Luftauslassventile, die Arbeitscharakteristiken der Luftauslassventile oder durch Erhöhen des Auftriebs des Luftschiffs, indem der Ballast in Reaktion auf die plötzliche Änderung in den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft abgeworfen wird, während des Steigens des Luftschiffs. Somit kann der zufrieden stellende Aufstieg des Luftschiffs sichergestellt werden.

Obwohl die Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen relativ speziell beschrieben worden ist, sind an ihr offensichtlich viele Änderungen und Variationen möglich. Es sollte daher verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung anders als hier speziell beschrieben ausgeführt werden kann, ohne von ihrem Umfang und Sinn abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Hüllenparametereinstellverfahren zum Einstellen von Parametern einer Hülle eines Luftschiffs (15), das mit einem Heliumraum (17) und einem vom Heliumraum (17) getrennten Luftraum (16) versehen ist, umfassend:

    Starten einer Beobachtungsvorrichtung (11), die zum Beoachten einer oberen Umgebungsluft-Umgebung unmittelbar vor dem Starten des Luftschiffs (15) gestaltet ist, um Umgebungsluftdaten über aktuelle Bedingungen der oberen Umgebungsluft, wie Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Temperatur, zu erhalten;

    Bestimmen eines Aufstiegsprofils für das Luftschiff (15) mit einer Simulation, die die Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft verwendet;

    Bestimmen einer Anfangsmenge eines Heliumgases in dem Heliumraum (17) des Luftschiffs (15), die zu den aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft passt; und

    Regulieren einer Menge des in dem Heliumraum (17) enthaltenen Heliumgases auf die Anfangsmenge des Heliumgases, um einen Anfangsauftrieb einzustellen.
  2. Hüllenparametereinstellverfahren nach Anspruch 1, das desweiteren umfasst:

    Beoachten von Veränderungen in der oberen Umgebungsluft mit einem meteorologischen Beobachtungsinstrument (25) in einem Zeitraum zwischen einem Abschluss des Regulierens der Anfangsmenge des Heliumgases und einem Starten des Luftschiffs (15) nach dem Erhalten der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft unter Verwendung der Beobachtungsvorrichtung (11);

    Korrigieren des Aufstiegsprofils für das Luftschiff (15) mit einer Simulation unter Verwendung sowohl der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft als auch von Daten über die obere Umgebungsluft, die durch Beobachten der Veränderungen in der oberen Umgebungsluft mit dem meteorologischen Beobachtungsinstrument (25) erhalten werden;

    Bestimmen einer für die neuesten Bedingungen der oberen Umgebungsluft passende Anfangsmenge von Heliumgas im Heliumraum (17); und

    Regulieren der Menge von Heliumgas im Heliumraum (17) auf die Anfangsmenge des Heliumgases, um den Anfangsauftrieb einzustellen.
  3. Hüllenparametereinstellverfahren nach Anspruch 1, wobei die Beobachtungsvorrichtung (11) eine GPS-Sonde umfasst.
  4. Hüllenparametereinstellsystem zum Einstellen von Hüllenparametern für eine Hülle eines Luftschiffs (15), aufweisend:

    ein Beobachtungssystem, das eine zum Beobachten einer oberen Luftumgebung gestaltete Beobachtungsvorichtung (11) umfasst, die gestartet wird, um Umgebungsluftdaten über aktuelle Bedingungen einer oberen Umgebungsluft einschließlich Höhe, Druck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Temperatur zu erhalten;

    einen auf einem Grund montierten Simulator (13) zur Bestimmung eines Aufstiegsprofils für das Luftschiff (15) mit einer Simulation, die Umgebungsluftdaten der aktuellen Bedingungen der oberen Umgebungsluft, die vom Beobachtungssystem geliefert werden, verwendet, und zur Bestimmung einer für die neuesten Bedingungen der oberen Umgebungsluft passende Anfangsmenge von Heliumgas im Heliumraum (17); und

    eine auf dem Grund oder der Hülle montierte Heliumgassteuerung (14) zur Regulierung einer Menge von Heliumgas im Heliumraum (17) entsprechend der vom Simulator (13) bestimmten Anfangsmenge von Heliumgas.
  5. Hüllenparametereinstellsystem nach Anspruch 4, das desweiteren ein meteorologisches Beobachtungssystem (25) umfasst, das ein meteorologisches Beobachtungsinstrument (21, 22, 23, 24) zum Beobachten von Änderungen in der oberen Umgebungsluft in einem Zeitraum zwischen einem Abschluss des Regulierens der Menge von Heliumgas und einem Starten des Luftschiffs (15) nach dem Erhalt der Umgebungsluftdaten über die aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft und dem Senden von mit dem meteorologischen Beobachtungssystem (25) erhaltenen Daten über die obere Umgebungsluft an den Simulator (13) umfasst.
  6. Hüllenparametereinstellsystem nach Anspruch 4, wobei die Beobachtungsvorrichtung (11) eine GPS-Sonde umfasst.
  7. Aufstiegsratenregulierverfahren, das ausgelegt ist, um verwendet zu werden, um eine Aufstiegsrate eines Luftschiffs (15) zu regulieren, dessen Hüllenparameter durch das Hüllenparametereinstellverfahren wie es in Anspruch 1 definiert ist eingestellt werden, wobei die Aufstiegsrate, mit der das Luftschiff (15) aufsteigt, gemäß Änderungen von aktuellen Bedingungen der Umgebungsluft durch Regulieren einer Anzahl von zu betätigenden Luftauslassventilen (20) aus einer Mehrzahl von Luftauslassventilen (20) des Luftschiffs (15) oder Regulieren von Charakteristiken der Luftauslassventile zum Regulieren der Luftauslassrate reguliert wird.
  8. Aufstiegsratenregulierverfahren nach Anspruch 7, wobei die Beobachtungsvorrichtung (11) eine GPS-Sonde umfasst.
  9. Aufstiegsratenregulierverfahren, das ausgelegt ist, um verwendet zu werden, um eine Aufstiegsrate eines Luftschiffs (15) zu regulieren, dessen Hüllenparameter mit dem in Anspruch 1 definierten Hüllenparametereinstellverfahren eingestellt wurden, wobei das Luftschiff (15) mit einem Ballast (26) beladen wird, wenn das Luftschiff (15) beim Startgewicht noch Reserven hat, und der Ballast (26) abgeworfen wird, wenn die Aufstiegsrate des Luftschiffs (15) während des Aufsteigens sinkt, um einen Auftrieb des Luftschiffs (15) zu erhöhen und um eine Aufstiegsfähigkeit des Luftschiffs (15) zu steigern.
  10. Aufstiegsratenregulierverfahren nach Anspruch 9, wobei der Ballast (26) Wasser umfasst.
  11. Aufstiegsratenregulierverfahren nach Anpruch 9, wobei die Beobachtungsvorrichtung (11) eine GPS-Sonde umfasst.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






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