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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet eines Auftriebs-Luftfahrzeugs und dessen Betrieb.
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Hintergrund der Erfindung
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In
einer Anzahl von Anwendungen wäre
es wünschenswert,
eine verhältnismäßig stationäre Höhenplattform
bereitstellen zu können,
daher die Erwünschtheit
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
bekannte Art einer stationären
Höhenplattform
ist ein geostationärer
Satellit, der sich 36000 km über
dem Boden befindet. Während
ein geostationäres
Satellitensystem einen große „Ausleuchtzone" für Kommunikations-
oder Überwachungszwecke
aufweisen kann, kann diese größer sein,
als es für
eine hochauflösende Überwachung wünschenswert
ist, und die Entwicklungs- und
Startkosten eines Raumschiffs können
in der Regel sehr hoch sein. Nicht-stationäre oder Satelliten mit niedriger
Umlaufbahn sind ebenfalls bekannt, jedoch sind sie nur vorübergehend
an irgendeinem gegebenen Punkt am Himmel. Es wäre daher vorteilhaft, eine stationäre Plattform
auf einer niedrigeren Höhe,
mit geringerer Komplexität
und eher niedrigeren Kosten zu betreiben.
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Es
existieren schon etliche Konzepte für Plattformen in hoher atmosphärischer
Höhe, wie
Höhenballone,
große
Lenkballone oder kleine Prall-Luftschiffe, unbemannte Luftfahrzeuge
schwerer als Luft (Drohnen) mit herkömmlicher Gestaltung oder einer Nurflügelflugzeuggestaltung.
Freiballone oder Fesselballone wären
in der Regel nicht geeignet: ein Freiballon ist nicht angebunden,
und wird in der Regel nicht an einem Platz bleiben; ein Halteseil
von 12200 m–18300
m (40000–60000
ft) ist nicht praktikabel, (a) aufgrund des Gewichts der Halteseile selbst; und
(b) aufgrund der Gefahr für
die Luftnavigation. Luftfahrzeuge schwerer als Luft weisen in der Regel
nicht die erforderliche Lebensdauer auf, und jedes Luftfahrzeug,
das auf einem Luftstrom über eine
Trag- oder anderen Steuerfläche
beruht, muß eine
ausreichende Geschwindigkeit aufrechterhalten, um die Kontrolle
aufrechtzuerhalten, ein Problem, das sich verschlimmert, wenn sich
die Dichte der Atmosphäre
vermindert.
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Herkömmliche
Luftschiffe, ob kleine Prall-Luftschiffe oder mit einem starren
Innenskelett, sind in der Regel Luftfahrzeuge für niedrige Höhen, die
selten auf Höhen über 1524
m (5000 ft) über
dem Meereshöhe
verwendet werden. Moderne Luftschiffe, die auf dem Auftrieb eines
Traggases beruhen, können
in der Regel an etlichen Nachteilen leiden, wie (a) schlechte Manövrierbarkeit
bei niedriger Geschwindigkeit; (b) die Notwendigkeit verhältnismäßig großer Bodencrews
für Starts
und Landungen; (c) die Notwendigkeit verhältnismäßig großer Gebiete, von denen sie
aus betrieben werden; (d) komplizierte und kostspielige Infrastruktur
zum Festmachen (Parken); und (e) Anfälligkeit gegenüber einer
Beschädigung
in turbulenten atmosphärischen
Bedingungen. Nach Auffassung des gegenwärtigen Erfinders scheinen viele,
wenn nicht alle dieser Nachteile von der grundlegenden Form und
Gestaltung herkömmlicher
Luftschiffe herzurühren – das heißt dem charakteristischen
länglichen
Rumpf mit Flossen.
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Die
Manövrierbarkeit
herkömmlicher
Luftschiffe hängt
in der Regel vom Design und der Struktur ihrer Flossen und Steuerflächen ab.
Unter 10 bis 15 km/h (6–10
mph) gibt es in der Regel keinen ausreichenden Luftstrom über die
Steuerflächen
der Flossen mehr, was sie unwirksam macht. Wenn der Pilot langsamer
wird, wie beim Landen, kann es sein, daß eine Bodencrew von bis zu
20 Personen benötigt wird,
um den Piloten zu unterstützen.
Dieselbe Größe der Crew
kann auch für
den Start benötigt
werden.
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Das
hierin beschriebene kugelförmige
Luftschiff weist Doppelhüllen
auf. Die Außenhülle ist
tragend, und die Innenhülle
enthält
das Traggas. Für normale
Flüge auf
niedriger Höhe
beim Start kann die Innenhülle
typischerweise bis zu 80% des Innenvolumens der Außenhülle gefüllt sein,
was es ermöglicht, daß sich das
Traggas bei Höhen-
oder Temperaturänderungen
oder beiden ausdehnt. Wenn die Innenhülle vollständig ausgedehnt ist, befindet
sich das Luftschiff auf einer Druckhöhe; was bedeutet, daß es nicht
höher steigen
kann, ohne etwas Traggas abzulassen.
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Im
gegenwärtig
beschriebenen Luftschiff wird die Luft in der Außenhülle durch elektrische Gebläse leicht
unter Druck gesetzt, um die im allgemeinen kugelförmige Form
des Luftschiffs aufrechtzuerhalten und einer Verformung durch Windbelastungen zu
widerstehen. Für
das Höhenluftschiff
der vorliegenden Erfindung, das auf 18300 m–21300 m (60–70000 ft)
betrieben wird, muß die
Hülle ausreichend
groß sein,
um der Traggasausdehnung von 1600–1700% Platz zu bieten. Folglich
kann in der vorliegenden Erfindung beim Start die Innenhülle zu nicht
mehr als 1/18 ihres Gesamtvolumens gefüllt sein. Die restlichen 17/18
sind mit Luft auf einem geringen (Über)-Druck gefüllt.
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Während des
Aufstiegs in die Höhe
wird sich das Traggas in der Regel adiabatisch ausdehnen, wobei
es schließlich
annähernd
16/18 des Gesamtvolumens in Anspruch nimmt. Auf der vorgesehenen Betriebshöhe wird
beabsichtigt, daß immer
noch ausreichend Platz zur Verfügung
steht, um sich mit der Temperaturzunahme während der Tagessonnenbestrahlung
auszudehnen. Man beachte, daß das
kugelförmige
Luftschiff in der Regel in keinem Stadium der „Fülle" Gleichgewichtsprobleme hat. Das Gewicht
der Nutzlast befindet sich am unteren mittleren Abschnitt des Luftschiffs,
und der Auftrieb befindet sich direkt darüber, wobei alle Schwerkraft-
und Auftriebskräfte
gerade nach oben und unten wirken.
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Herkömmliche
zigarrenförmige
Prall-Luftschiffe können
außerdem
in der Regel andere Nachteile bieten, wenn sie im Kontext eines
Luftfahrzeugs betrachtet werden, das eine Höhenbetriebsgipfelhöhe aufweist.
Herkömmlich
setzen zigarrenförmige Luftschiffe
vorn und hinten Ballonette ein, die aufgeblasen oder entleert werden
können,
wenn sich die inneren Gaszellen mit den Änderungen der Höhe oder
Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen. Ein differentielles Aufblasen
der Ballonette kann ebenfalls verwendet werden, um die Luftschifftrimmung
einzustellen. Der Ballonettbetrieb zwischen Meereshöhe (wo der
Umgebungsdruck etwa 14,7 psia beträgt) und 1500 m (5000 ft)(wo
der Umgebungsdruck etwa 12,5 psia) beträgt, kann Ballonette von ungefähr 20% des
Innenvolumens des Luftfahrzeugs mit sich bringen, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
18300 m (60000 ft) zu erreichen, (wo der Umgebungsdruck etwa 1,0
psia beträgt),
wobei das Volumen des Traggases, das beim Start von Meereshöhe verwendet
wird, nicht mehr als 1/18 des Volumens des Traggases auf 18300 m
(60000 ft) betragen kann. Dies kann beträchtliche Steuerungsherausforderungen
bei niedriger Höhe
für ein
zigarrenförmiges
Luftfahrzeug darstellen. Ferner sind herkömmliche Luftschiffe in der
Regel auf einem Luftstrom über
ihre Steuerflächen
angewiesen, um im Flug zu manövrieren.
Jedoch ist in großer
Höhe die Dichte
der Luft hinreichend niedrig, so daß eine sehr viel höhere Geschwindigkeit
erforderlich sein kann, um den Grad der Steuerung aufrechtzuerhalten,
der bei niedrigerer Höhe
erzielt wird. Desweiteren ist bekannt, daß Prall-Luftschiffe Luftschiffe
und Lenkballone gegenüber
einem „Tauchstampfen" anfällig sind. Auf
18300 m (60000 ft) gibt es typischerweise eine verhältnismäßig geringe
Turbulenz, und verhältnismäßig leichte
Winde, oder Windstille. In einer Situation mit leichtem oder keinem
Wind kann es schwierig sein, einen zigarrenförmigen Lenkballon „in Position" d. h. an einem festgelegten
Ort zu halten, für
den die Variation der Position auf einen festen Abweichungsbereich
wie einem Sollkasten von 1 km2 relativ zu
einer Bodenstation begrenzt ist. Obwohl 1 km wie eine große Strecke
scheinen mag, ist sie relativ zu einem Luftschiff vergleichsweise
klein, das eine Länge
von 300 m aufweisen kann.
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Im
Gegensatz dazu kann ein kugelförmiges Luftschiff
etliche Vorteile haben, von denen einige in meinem
US-Patent 5,294,076 beschrieben werden, das
hierin durch Verweis aufgenommen ist. Ein kugelförmiges Luftschiff ist flossenlos,
und hängt
daher also nicht von einer verhältnismäßig hohen.
Luftgeschwindigkeit ab, um die Flugkontrolle aufrechtzuerhalten.
Wenn es zum Beispiel mit einem Antriebssystem ausgestattet ist,
das Schubdeflektoren (Luftklappen) aufweist, die im Propellerschraubenstrahl
angeordnet sind, kann eine Steuerung und Höhenkontrolle durch die Verwendung
eines veränderten
und abgelenkten Schubs erzielt werden.
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Mit
gleichem Schub auf beiden Motoren kann das Luftschiff auf einer
geraden Linie geflogen werden. Eine Erhöhung (oder Senkung) des Schubs
auf einer Seite bewirkt, daß sich
das Luftschiff dreht. Eine Ablenkung des Luftschraubenstrahls nach
unten kann in der Regel das Luftschiff steigen lassen; eine Ablenkung
des Luftschraubenstrahls nach oben kann in der Regel das Luftschiff
senken lassen. Der durch den gegenwärtigen Erfinder entwickelte
Prototyp ist selbst bei niedriger Geschwindigkeit, oder wenn er
schwebt, in hohem Maß manövrierfähig, und ist
in der Regel imstande, sich auf der Stelle zu drehen.
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Der
gegenwärtige
Erfinder hat auf eine herkömmliche äußere Gondel
verzichtet, und hat in der Tat die Gondel innerhalb der Hülle angeordnet,
was im allgemeinen einen größeren Platz
für den
Piloten, Passagiere (wenn vorhanden) und Nutzlasten, (wenn vorhanden)
ermöglicht.
Ohne eine äußere Gondel kann
das kugelförmige
Luftschiff in der Regel zur Landung auf und zum Starten vom Wasser
imstande sein. Landevorgänge
sind vergleichsweise unkompliziert.
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Ein
im wesentlichen kugelförmiges
Luftschiff weist das wirtschaftlichste Verhältnis der Oberfläche zum
Volumen auf. Dies kann in der Regel zu einer verhältnismäßig niedrigen
Leckrate des Traggases führen.
Die kugelförmige
Form erleichtert in der Regel auch die Verteilung der Nutzlast,
ohne übermäßig die
Balance (Neigung) des Luftfahrzeugs zu beeinflussen.
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Der
gegenwärtige
Erfinder hat bemerkt, daß wenn
ein kugelförmiger
Gegenstand, wie ein kugelförmiges
Luftschiff, durch ein umgebendes Fluid, wie Luft angetrieben wird,
die Strömung
des umgebenden Fluids um die kugelförmige Form in der Regel ei nen
Ablösungspunkt
aufweist, jenseits dessen die Strömung turbulent ist. Es wäre vorteilhaft,
diesen Ablösungspunkt
weiter zum hinteren Abschnitt des Luftfahrzeugs zu verschieben,
da dies in der Regel den Luftwiderstand reduzieren kann.
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Der
gegenwärtige
Erfinder hat außerdem
andere Eigenschaften eines kugelförmigen Luftschiffs bemerkt,
die es in der Regel für
eine Verwendung mit verhältnismäßig langer
Dauer, wie eine Kommunikations- oder Überwachungsplattform geeignet
machen. Erstens kann die Hülle
in der Regel für
elektromagnetische Wellen in den interessierenden Frequenzbereichen
durchlässig
sein, nämlich
die elektronischen Kommunikationsfrequenzen. Dies kann in der Regel
ermöglichen:
(a) die Fernsteuerung der Plattform von einer Bodenstation, wobei
ferner das Gewicht in der Höhe
reduziert wird und sowohl (i) die Gefahr der Verletzung eines Menschen
im Fall eines Motorenausfalls; und (ii) die Notwendigkeit verringert werden,
für den
Komfort der Crew häufig
zu landen; (b) die Verwendung der Plattform als eine Kommunikationsrelaisstation
zum Senden und Empfangen von Signalen; und (c) die Verwendung der
Station als eine Radarplattform oder als eine Abhörstation.
Zusätzlich
kann es wünschenswert
sein, ein stationäres Luftschiff
in der Höhe
auftanken zu können,
wodurch eine Ausdehnung der Einsatzdauer ermöglicht wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
gegenwärtige
Erfinder setzt ein kugelförmiges
Luftschiff als Plattform für
eine Überwachung oder
Kommunikation aus verhältnismäßig großer Höhe mit einer
Absicht ein, einen Aufenthalt an einem bestimmten Ort mit verhältnismäßig langer
Dauer zu ermöglichen.
Der gegenwärtige
Erfinder hat außerdem
bemerkt, daß es
für einen
Flug auf entweder hoher oder niedriger Höhe vorteilhaft ist, den Ablösungspunkt
der Strömung
zu einer verhältnismäßig rückwärtigen Stelle
zu verschieben.
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Erfindungsgemäß gibt es
ein im wesentlichen kugelförmiges
Luftfahrzeug. Das Luftfahrzeug weist eine Auftriebsvorrichtung auf,
die betriebsfähig ist,
das Luftfahrzeug in der Höhe
zu halten. Antriebs- und Richtvorrichtungen sind zusammen be triebsfähig, das
Luftfahrzeug zu leiten; und es ist mindestens ein Grenzschichtablösungsunterdrückungselement vorgesehen,
das betriebsfähig
ist, zu unterstützen, daß das Luftfahrzeug
wie geleitet weiterfliegt.
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Eine
Außenhülle des
Luftfahrzeugs weist einen vorderen Abschnitt und einen hinteren
Abschnitt auf, und die Grenzschichtablösungsunterdrückungselement
weist ein Pumpelement auf, das hinter dem hinteren Abschnitt angebracht
ist, um angrenzend an den hinteren Abschnitt des Luftfahrzeugs eine
Zone eines gesenkten Fluiddrucks zu erzeugen, und schiebt einen
Punkt, an dem sich der Luftstrom um die Außenhülle davon trennt, vom vorderen
Abschnitt weg. In einem bevorzugten Merkmal weist das Luftfahrzeug
einen vorderen Abschnitt und einen hinteren Abschnitt auf, und das
Grenzschichtablösungsunterdrückungselement
weist einen Druckpropeller auf, der hinter dem hinteren Abschnitt
des Luftfahrzeugs angebracht ist.
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In
noch einem anderen Merkmal weist das Luftfahrzeug einen vorderen
Abschnitt und einen hinteren Abschnitt auf, und das Grenzschichtablösungsunterdrückungselement
weist eine Aufrauhung auf, die am vorderen Abschnitt des Luftfahrzeugs
angebracht ist. In noch einem anderen Merkmal weist die Antriebsvorrichtung
einen Druckpropeller auf. In einem weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug
ein Hauptdurchmessermaß D1
auf, und der Propeller weist einen Durchmesser D2 auf, wobei D2
im Bereich von 10% bis 25% von D1 liegt. In noch einem weiteren
Merkmal arbeitet der Druckpropeller zwischen 0 und 250 U/min. In
einem anderen Merkmal weist der Druckpropeller eine Spitzengeschwindigkeit
von weniger als 152 m/s (500 ft/s) auf. In noch einem anderen Merkmal
wird der Druckpropeller durch einen Elektromotor angetrieben.
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In
einem anderen weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug einen Verbrennungsmotor
auf, und ein elektrischer Generator wird dadurch angetrieben. In
noch einem weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug ein Kraftstoffnachfüllsystem
auf. Das Kraftstoffnachfüllsystem
ist betriebsfähig,
während
sich das Luft fahrzeug in der Höhe
befindet. In einem zusätzlichen
Merkmal weist mindestens eine der Antriebs und Richtvorrichtungen
einen Verbrennungsmotor und ein Kraftstoffnachfüllsystem auf. Das Kraftstoffnachfüllsystem
ist betriebsfähig,
während
sich das Luftfahrzeug in der Höhe
befindet. In einem anderen zusätzlichen
Merkmal weist das Luftfahrzeug Solarzellenplatten auf.
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In
einem weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug eine elektromagnetisches
Schnittstellenelement auf, das aus der Gruppe elektromagnetischer Schnittstellenelemente
ausgewählt
ist, die imstande sind, mindestens eines auszuführen aus: (a) Empfangen einer
elektromagnetischen Wellenform; (b) Senden einer elektromagnetischen
Wellenform; (c) Weiterleiten einer elektromagnetischen Wellenform; und
(c) Reflektieren einer elektromagnetischen Wellenform. In einem
anderen weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug eine Kommunikationsanlage
auf, die betriebsfähig
ist, mindestens eines durchzuführen
aus: (a) Empfangen von Kommunikationssignalen (b), Senden von Kommunikationssignalen;
(c) Weiterleiten von Kommunikationssignalen; und (d) Reflektieren
von Kommunikationssignalen. In einem zusätzlichen Merkmal weist das
Luftfahrzeug eine Überwachungsanlage
auf. In einem anderen zusätzlichen
Merkmal ist die Überwachungsanlage
aus der Gruppe von Überwachungsanlagen
ausgewählt,
die aus mindestens (a) einer Kommunikationsüberwachungsanlage; (b) einer
Thermographieanlage; (c) einer Photographieanlage; und (d) Radar
besteht. In noch einem anderen zusätzlichen Merkmal weist das Luftfahrzeug
eine Verkleidung auf, und die Verkleidung ist im wesentlichen für mindestens
elektromagnetische Hochfrequenzwellen durchlässig.
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In
noch einem anderen zusätzlichen
Merkmal weist das Luftfahrzeug in der Verkleidung angebracht mindestens
auf: (A) eine Kommunikationsanlage, die betriebsfähig ist,
mindestens eines durchzuführen
von: (a) Empfangen von Kommunikationssignalen (b) Senden von Kommunikationssignalen;
(c) Weiterleiten von Kommunikationssignalen; und (d) Reflektieren
von Kommunikationssignalen; und (B) eine Überwachungsanlage, die aus
der Gruppe von Überwachungsanlagen
ausgewählt
ist, die aus mindestens (a) einer Kommunikationsüberwachungsanlage; (b) einer
Thermographieanlage; (c) einer Photographieanlage; und (d) Radar
besteht. In einem anderen Merkmal wird die Verkleidung relativ zu
den Umgebungsbedingungen außerhalb
des Luftfahrzeugs innen unter Druck gesetzt. In noch einem anderen
Merkmal ist das Luftfahrzeug ferngesteuert.
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In
noch einem anderen Merkmal weist die Auftriebsvorrichtung eine Hülle auf,
die in dem Luftfahrzeug angebracht ist, und die Hülle enthält ein Tragfluid
leichter als Luft. In noch einem anderen Merkmal besteht das Tragfluid
aus Helium. In einem weiteren Merkmal besteht das Tragfluid aus
Wasserstoff.
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In
noch einem weiteren Merkmal weist das im wesentlichen kugelförmige Luftfahrzeug
ein Gewicht und ein Innenvolumen auf. Die Hülle ist veränderlich aufblasbar, so daß sie einen
veränderlichen Anteil
des Innenvolumens einnimmt, und die Hülle stellt unter Umgebungsbedingungen
auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C
(59°F),
wenn die Hülle
auf nicht mehr als 70% des Innenvolumens aufgeblasen ist, eine Auftriebskraft
bereit, die mindestens so groß wie
das Gewicht ist. In einem anderen weiteren Merkmal stellt die Hülle unter
Umgebungsbedingungen auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C
(59°F),
wenn die Hülle
auf nicht mehr als 50% des Innenvolumens aufgeblasen ist, eine Auftriebskraft
bereit, die mindestens so groß wie
das Gewicht ist. In noch einem anderen Merkmal stellt die Hülle unter
Umgebungsbedingungen auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C (59°F), wenn
die Hülle
auf nicht mehr als 25% des Innenvolumens aufgeblasen ist, eine Auftriebskraft
bereit, die mindestens so groß wie
das Gewicht ist. In noch einem anderen Merkmal stellt die Hülle unter Umgebungsbedingungen
auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C
(59°F),
wenn die Hülle
auf nicht mehr als 10% des Innenvolumens aufgeblasen ist, eine Auftriebskraft
bereit, die mindestens so groß wie
das Gewicht ist. In noch einem anderen Merkmal stellt die Hülle unter
Umgebungsbedingungen auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C
(59°F),
wenn die Hülle
auf nicht mehr als 7,5% des Innenvolumens aufgeblasen ist, eine
Auftriebskraft bereit, die mindestens so groß wie das Gewicht ist.
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In
einem weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug eine Betriebsgipfelhöhe von mehr
als 3000 m (10000 ft) auf. In noch einem weiteren Merkmal weist
das Luftfahrzeug eine Betriebsgipfelhöhe von mehr als 5500 m (18000
ft) auf. In noch einem weiteren Merkmal weist das Luftfahrzeug eine
Betriebsgipfelhöhe
von mehr als 12200 m (40000 ft) auf. In einem anderen Merkmal weist
das Luftfahrzeug eine Betriebsgipfelhöhe von mehr als 18300 m (60000
ft) auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Prinzipien der verschiedenen Aspekte der Erfindung können durch
Bezugnahme auf die beigefügten
veranschaulichenden Figuren besser verstanden werden, die Merkmale
von Beispielen von Ausführungsformen
der Erfindung darstellen. Es zeigen:
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1a einen
vorderen Aufriß in
niedriger Höhe
eines Luftschiffs gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung, mit einem Teilschnitt, der vorgesehen
ist, um eine teilweise aufgeblasene Traggashülle zu zeigen;
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1b einen
vorderen Aufriß in
größerer Höhe des Luftschiffs
der 1a mit einem größeren Teilschnitt, der vorgesehen
ist, um einen vollständiger
aufgeblasenen Zustand der Traggaszelle in größerer Höhe zu zeigen;
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2 einen
seitlichen Aufriß des
Luftschiffs der 1a;
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3 einen
hinteren Aufriß des
Luftschiffs der 1a;
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4a den
Ort eines Ausrüstungsfachs
für das
Luftschiff der 1a;
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4b ist
eine vergrößerte Skizze
einer möglichen
Gestaltung für
das Ausrüstungsfach
der 4a;
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5 eine
Darstellung des Betriebs des Luftschiffs der 1a;
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6 eine
zu jener der 1a alternative Ausführungsform
eines Luftschiffs; und
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7 eine
weitere zu jener der 1a alternative Ausführungsform
eines Luftschiffs.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die
folgende Beschreibung und die hierin beschriebenen Ausführungsformen
werden zum Zweck der Veranschaulichung eines Beispiels oder von
Beispielen von bestimmten Ausführungsformen
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Diese
Beispiele werden zum Zweck der Erläuterung und nicht der Begrenzung
jener Prinzipien der Erfindung bereitgestellt. In der Beschreibung
werden gleiche Teile durch die Beschreibung und die Zeichnungen
hindurch mit denselben jeweiligen Bezugsziffern markiert. Die Zeichnungen
sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht,
und in einigen Fällen
können
Proportionen übertrieben
sein, um bestimmte Merkmale der Erfindung deutlicher darzustellen.
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Zum
Zweck dieser Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Betriebsbedingungen auf
einen ISA-Norm-Tag, nämlich
auf einen Richtwert von atmosphärischen
Bedingungen auf Meereshöhe
an einem Tag mit 15°C
(59°F) bezogen
werden. Wenn man sich das Luftfahrzeug so vorstellt, daß es eine vertikale
oder z-Achse, eine longitudinale oder x-Achse, und eine Quer- oder
y-Achse aufweist, ist außerdem
zum Zweck der Beschreibung eine Neigung eine Rotation um die y-Achse,
ist ein Rollen eine Rotation um die x-Achse, und ist ein Gieren
eine Rotation um die z-Achse. Die Schwerkraft und folglich der Auftrieb
wirken parallel zur z-Achse.
Vorn und hinten (und vordere und hintere) sind Ausdrücke, die sich
auf die x-Achse beziehen.
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In
der Ausführungsform
der 1a wird ein im wesentlichen kugelförmiges Luftschiff
allgemein als 20 angezeigt. Das Luftschiff 20 weist
eine tragende Außenhülle 22 und
eine ein Traggas enthaltende Innenhülle 24 auf.
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Die
Außenhülle 22 ist
aus einer Anordnung von Spectra (Warenzeichen) oder anderen hochfesten
Stoffbahnen hergestellt, die zusammengenäht oder -wärmegeschweißt sind. Ein elektrisches Gebläse oder
Ventilator 26 ist in einem unteren Bereich der Au ßenhülle 22 angebracht.
Das Gebläse 26 weist eine
Ansaugöffnung,
die Luft aus der äußeren Umgebung
ansaugt, und einen Auslaß auf,
der so angebracht ist, daß er
in das Innere der Außenhülle 22 einmündet. Das
Gebläse 26 wird
verwendet, um das Innenvolumen des Luftschiffs 20 in der
Außenhülle 22 relativ
zum PAmbient der äußeren Umgebungsbedingungen
auf einem erhöhten
Druck zu halten. Dieser Differenzdruck bewirkt in der Regel, daß die Außenhülle 22 die
gezeigte, im wesentlichen kugelförmige Form
annimmt und beibehält.
In dem Fall, daß die Differenz
des Innendrucks in der Außenhülle 22 im Vergleich
zur Umgebung übermäßig wird,
wird sich ein Entlastungsventil 28, das an einem unteren
Bereich der Außenhülle 22 angebracht
ist, öffnen,
um den Druck entsprechend fallen zu lassen. Es wird bevorzugt, daß die Druckdifferenz
etwa ½ Inch
Wassersäule
beträgt,
und daß sich
das Entlastungsventil 28 bei 1 Inch Wassersäule öffnet.
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Auftrieb
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Die
Innenhülle 24 ist
eine geschichtete Blase oder Gaszelle 30 zum Aufnehmen
eines Fluids in Form eines Traggases, wie Helium oder Wasserstoff. Die
Gaszelle 30 weist ein vollständig ausgedehntes Volumen auf,
das ungefähr
18-mal so groß wie
das Volumen zum Bereitstellen eines Auftriebs auf Meereshöhe ist.
Das Auslegungsvolumen der Außenhülle 22 ist
groß genug,
um diese vollständige
Ausdehnung plus das Innenvolumen der Nutzlast und Betriebsausrüstung zuzulassen.
Zum Zweck dieser Erläuterung
wird das „Innenvolumen" der Außenhülle 22 nur
als der Raum angenommen, der zugeteilt ist, um die Ausdehnung der
Innenhülle 24 im
normalen Dienstbetrieb bis zur Auslegungsbetriebsgipfelhöhe zu ermöglichen.
In der bevorzugten Ausführungsform beträgt diese
Betriebsgipfelhöhe
18300 m–21300
m (60000 ft–70000
ft) mit einer Traggasausdehnung des 10,7–17,4-fachen des Volumens auf
Meereshöhe.
Jedoch wird ein zusätzliches
Volumen in der Außenhülle 22 gelassen,
um eine Sonnenerwärmung (und
folgende Ausdehnung) des Traggases in der Gaszelle 30 während eines
Tageslichtbetriebs zu ermöglichen,
mit einer Sicherheitsspanne für
unvorhergesehene Eventualitäten.
Während
ein unnöti ges Austreten
des Traggases im allgemeinen unerwünscht ist, ist im Fall, daß der Auftrieb
der Gaszelle 30 übermäßig wird,
ein Ablaßventil
in Form eines Gaszellenentlastungsventils 32 vorgesehen,
um das Ablassen des Traggases zu ermöglichen. Das Luftfahrzeug 20 kann
auch einen optionalen Ergänzungstraggasvorratsbehälter 34 aufweisen,
der mit der Gaszelle 30 verbunden ist, um Traggas bereitzustellen,
um ein Entweichen zu ersetzen, das über eine Zeitspanne auftreten
kann. Vorzugsweise ist die Gaszelle 30 betriebsfähig, dem
Luftfahrzeug 20 einen Gleichgewichtsauftrieb zu geben,
wenn die Gaszelle 30 auf Meereshöhe und 15°C nur zu 5% voll ist.
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Antriebs- und Steuervorrichtung
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In
der Ausführungsform
der 1 wird ein Antrieb durch ein Paar
symmetrisch angebrachter Antriebsvorrichtungen in Form von Propellern 36, 38 bereitgestellt,
die an ersten und zweiten, rechten und linken ausladenden Tragrohren 40, 42 angebracht sind.
Die Propeller 36, 38 werden durch ein Paar passender
erster und zweiter Elektromotoren 44, 46 mit veränderlicher
Drehzahl angetrieben. Der Strom für diese Elektromotoren wird
aus einem Speicherelement in Form einer Batterie 48 entnommen,
die ihrerseits durch die kombinierten Leistungen einer Solarzellenanordnung 50,
die an den nach oben weisenden Bereichen der Außenhülle 22 angebracht
ist, und einer Hilfsstromversorgungseinheit 52 geladen
wird, die einen Generator 54 antreibt.
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Die
Hilfsstromversorgungseinheit (APU) 52 kann einen Verbrennungsmotor
aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die APU 52 ein
abgasturboaufgeladener Dieselmotor. Alternativ kann die APU 52 ein
Benzinmotor oder eine Wasserstoff- und Sauerstoff-Brennstoffzelle
sein. In dem Fall, daß eine
Brennstoffzelle eingesetzt wird, kann der Strom aus der Solarzellenanordnung 50 während des
Tages verwendet werden, um die Brennstoffzelle wieder aufzuladen,
während
die Brennstoffzelle in der Nacht arbeiten kann, um Strom zu liefern,
um das Luftfahrzeug auf seiner Position zu halten.
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Die
Propeller 36 und 38 können starr in einer Orientierung
angebracht sein, die einen Vertikalbetrieb in Vorwärts- oder
Rückwärtsrichtung
ermöglichen,
um das Luftschiff 20 steigen oder sinken zu lassen, wenn
eine andere Antriebseinrichtung zur Horizontalbewegung und zum Drehen
vorgesehen ist. In dem Fall, daß die
Propeller 36 und 38 in einer starren Orientierung
angebracht sind, um das Steigen und Sinken zu steuern, ist ein kleiner,
seitlich angebrachter, umkehrbarer Gierschubpropeller 56 mit
veränderlicher
Drehzahl am vorderen Abschnitt des Luftschiffs 20 angebracht.
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Alternativ
können
die Propeller 36 und 38 auf schwenkbaren Köpfen 58, 60 angebracht
sein, die von 0 bis 90 Grad von der Horizontalen gedreht werden
können,
d. h. zwischen einer völligen
Abwärtsschuborientierung
zum Steigen auf eine völlige
Horizontalposition für
einen ungefähr
ebenen Horizontalflug. Sofern die Motoren 44 und 46 vorzugsweise
umkehrbare Gleichstrommotoren mit veränderlicher Drehzahl sein können, wird
das Absinken bereitgestellt, indem die Propeller 36 und 38 rückwärts betrieben
werden. Die Steuerung dieses Schwenkens geschieht durch Elektromotoren 62, 64,
die mit einem Getriebe versehen sind, um die Köpfe 58 und 60 zu drehen.
Die Winkelorientierung der Köpfe 58, 60 stellt eine
Vertikal- und Horizontalbewegung bereit. Ein Betrieb der Propeller 36, 38 mit
unterschiedlicher Drehzahl bewirkt ein Drehen des Luftschiffs 20 um die
z-Achse. Es wird bevorzugt, daß die
Propeller 36, 38 einen Durchmesser im Bereich
von 3,0–6,0
m (10–20
ft) und eine Betriebsdrehzahl im Bereich von 0 bis 400 U/min, vorwärts oder
rückwärts aufweisen.
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In
der Horizontalposition (das heißt
Nullanstieg oder Nullabstieg) wird ein vorderer Abschnitt der Außenhülle 22 allgemein
mit 70 bezeichnet. Während
eines Vorwärtshorizontalflugs
wird der Staupunkt PStagnation in diesem
Vorwärts-
oder vorderen Bereich liegen, typischerweise mehr oder weniger am
vorderen Endpunkt. Ein hinterer Bereich 72 liegt am entgegengesetzten
Endpunkt der Außenhülle 22 und
weist während
des Vorwärtsfluges
nach hinten. In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Grenz schichtablösungsunterdrückungsvorrichtung
in Form einer Luftpumpe, wie eines dritten Propellers 74,
an einem festen Tragrohr 76 angebracht, das äußerlich
hinter dem hinteren Bereich 72 steht. Der Propeller 74 ist
ein Druckpropeller, der mit einem Elektromotor 78 mit veränderlicher
Drehzahl verbunden ist, und arbeitet als eine Luftpumpe, um Luft
zu drängen, vom
hinteren Bereich 72 weg zu strömen und nach hinten getrieben
zu werden. Diese kann in der Regel einen Bereich mit verhältnismäßig niedrigem
Druck hinter dem hinteren Bereich 72 erzeugen und kann
in der Regel bewirken, daß der
Ablösungspunkt
der Strömung
um die Außenhülle 22 näher am hinteren Bereich 72 angeordnet
ist, als es andernfalls der Fall wäre, mit einer folgenden Reduzierung
des Luftwiderstands und einer Verbesserung der Vorwärtsführung des
Luftschiffs 20. In der bevorzugten Ausführungsform, in der der Durchmesser
der Außenhülle 22 etwa
75 m (250 ft) beträgt,
beträgt
der Durchmesser des Propellers 74 etwa 12 m (40 ft) und
er dreht sich mit einer Geschwindigkeit zwischen null und 250 U/min.
-
Auftanken
-
Das
Luftschiff 20 weist einen Kraftstoffvorratsbehälter 80 für die Hilfsstromversorgungseinheit auf,
der in dessen unteren Bereich angeordnet ist. Optional kann der
Kraftstoffvorratsbehälter 80 eine Fülleitung 82,
die außen
an der Außenhülle 22 angebracht
ist, und einen Andockanschluß 84 aufweisen, der
in der Mitte oben an der Außenhülle 22 angebracht
ist. Die Fülleitung 82,
der Anschluß 84 und
der Vorratsbehälter 80 sind
alle am Chassis der APU 52 elektrisch geerdet. Die Fülleitung 82 weist
außerdem eine
Ablaufleitung 86 und ein Dreiwegeventil 88 auf. Das
Nachfüllen
des Vorratsbehälters 80 kann
durchgeführt
werden, indem ein Tankerluftschiff 90 (5) mit ähnlicher
kugelförmiger
Form auf eine Höhe über das
Luftfahrzeug 20 geflogen wird und das Luftschiff 90 in
Position gehalten wird. Eine elektrisch geerdeter Befüllstutzen
wird abgesenkt, um mit dem Anschluß 84 ein Eingriff
zu treten. Wenn er sich in Position befindet, wird der Stutzen 92 erregt,
um sich an den An schluß 84 zu
klemmen, wobei eine abgedichtete und elektrisch geerdete Verbindung
hergestellt wird. Es wird dann Kraftstoff durch die Leitung 82 fließen gelassen,
um den Vorratsbehälter 80 nachzufüllen. Während dies
stattfindet, kann das Luftfahrzeug 90 Traggas mit einer
Geschwindigkeit ablassen, die der Geschwindigkeit der Kraftstoffüberleitung
entspricht, um einen annähernd
neutralen Auftrieb aufrechtzuerhalten. Entsprechend kann das Aufblasen der
Gaszelle 30 des Luftfahrzeugs 20 mit derselben Geschwindigkeit
erhöht
werden, um einen annähernd
neutralen Auftrieb des Luftfahrzeugs 20 aufrechtzuerhalten.
Während
des Nachfüllens
wird das Dreiwegeventil 86 so eingestellt, daß es einen
Durchfluß vom
Anschluß 84 zum
Vorratsbehälter 80 ermöglicht.
Wenn sich der Vorratsbehälter 80 einem „vollen" Zustand nähert, wird
dem Luftfahrzeug 90 signalisiert, das Befüllen einzustellen.
Ein Ventil 92 in der Zufuhrleitung 94 wird geschlossen
und es ermöglicht, daß sich die
Leitung 94 durch den Stutzen 84 entleert. Entsprechend
wird ermöglicht,
daß sich
die Leitung 82 in den Vorratsbehälter 80 entleert.
Wenn die Leitung 82 auf diese Weise entleert worden ist,
wird das Ventil 86 so eingestellt, daß es ermöglicht wird, daß sich die
Leitung 82 durch die Ablaufleitung 84 entleert.
Der Stutzen 84 wird abgeschaltet, die Nachfüllspeiseleitung 94 wird
zurückgezogen,
und das Luftfahrzeug 90 kehrt zur Basis zurück.
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Optional
und vorzugsweise kann das Luftschiff 20 mit einem Traggasnachfüllsystem
versehen sein. Zu diesem Zweck ist eine flexible Hochdrucktraggasnachfülleitung 96 mit
einem Ergänzungstraggasvorratsbehälter 34 verbunden,
wobei der Durchfluß durch
ein Ventil 100 gesteuert wird. Die Leitung 96 endet
an einem Nachfüllanschlußstutzen 102,
der benachbart zum Kraftstoffanschluß 84 für die Hilfsstromversorgungseinheit
angebracht ist. Wenn sich das Luftfahrzeug 90 in Position
befindet, wird ein entsprechender Geber 104 in das Anschlußstück 102 eingesetzt,
verriegelt und abgedichtet. Wenn Kraftstoff durch die Leitung 82 überführt wird,
strömt
eine entsprechende Menge Traggas längs der Leitung 96, die
eine ausreichende Menge Trag gas zum Füllen der Gaszelle 30 bereitstellt,
um dem zusätzlichen
Gewicht des Kraftstoffs entgegenzuwirken. Dies kann in der Regel
sowohl das Luftschiff 20 als auch das Luftschiff 90 durch
eine gleichzeitige Überführung von Kraftstoff
und Traggas auf einem neutralen Auftrieb halten. In dem Fall, daß es eine "unausgeglichene" Anforderung von
entweder Kraftstoff oder Traggas gibt, würde diese ausgeglichen werden,
indem entweder Ballast oder Traggas abgegeben wird, wie es die Situation
erfordern könnte.
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Das
Luftschiff 90 kann überschüssiges Traggas
in die Umgebung ablassen, um einen neutralen Auftrieb aufrechtzuerhalten,
oder das Luftschiff 90 kann optional mit einem Traggaskompressor 106 und einem
Wärmetauscher 108 versehen
sein, die betriebsfähig
sind, das Traggas aus der Gaszelle 110 des Luftfahrzeugs 90 abzusaugen
und zu komprimieren, wenn das Auftanken des Luftfahrzeugs 20 stattfindet.
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Steuermodul
-
Der
untere Bereich der Außenhülle 20 beherbergt
eine Ausrüstungsblase 120,
die im allgemeinen innerhalb der ansonsten im allgemeinen kugelförmigen Oberfläche der
Außenhülle 22 genäht ist.
Die Ausrüstungsblase 120 beherbergt
ein Steuermodul 122, das angeschlossen ist, um die Motoren 44, 46, 62, 64, 78 und
die APU 52 zu betreiben, das folglich den Antrieb und die
Richtung des Luftschiffs 20 steuert. Zusätzlich ist
das Steuermodul 122 betriebsfähig, das Aufblasen einer (a)
Gaszelle 30, (b) das Ablassen überschüssigen Traggases aus der Gaszelle 30, (c)
die positive Druckbeaufschlagung der Außenhülle 22 durch das Gebläse 26 und
die Druckentlastung durch das Ventil 28, (d) Backbord-,
Steuerbord- und Hecknavigationslichter 124, 126, 128;
(e) das oben beschriebene Auftanksystem; und (f) innere Lichter 130 zu
steuern. Das Steuermodul 122 ist mit einem Funkantennenfeld 132 verbunden,
durch das Steuer- und Ausrüstungsüberwachungssignale
an eine entfernt angeordnete Steuerstation gesendet werden, die
in 5 als 136 angezeigt wird. Die Steuerstation 136 ist
vorzugsweise eine Bodenstation, entweder an einer festen Einrichtung
oder in einer mobilen Einrichtung wie einem Kommandolastwagen, könnte jedoch
auch eine Schiffssteuerstation oder Luftsteuerstation sein. Das
Steuermodul 122 ist außerdem
mit Sensoren 144, 146 zur Messung der äußeren Umgebungstemperatur
und des Drucks; einem V-A-Ω-Meßgerät 148 zur
Messung des Stroms und der Spannung aus der Solarzellenanordnung 50; Sensoren 150, 152 (1b)
zur Messung der Gaszellentemperatur und des Drucks; 154, 156 zur
Messung der APU-Kraftstoffversorgung
im Vorratsbehälter 80;
einem V-A-Ω-Meßgerät 158 zur
Messung der Motorstromaufnahme; einer Antenne 160 zum Empfangen
von globalen Positionierungssystem- oder anderer Telemetriedaten, 162 zur
Messung der relativen Luftgeschwindigkeit; und 164; 166 zur
Messung (im Fall von Batteriestrom) der gespeicherten Ladung und
(im Fall der Verwendung einer Brennstoffzelle) des Brennstoffzellenstatus
verbunden. Die Eingaben aus den verschiedenen Sensoren werden verwendet,
um es zu ermöglichen,
(a) daß die
Steuerstation vom Status der Betriebssysteme des Luftfahrzeugs 20 unterrichtet
ist, und (b) daß der
Betrieb des Luftschiffs 20 gesteuert wird.
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Ausrüstungsmodule
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Es
ist eine Ausrüstungspalette 180 im
unteren Bereich der Außenhülle 22 nahe
des Steuermoduls 122 angebracht. Die Ausrüstungspalette 180 kann
als eine Basis für
die Ausrüstung
dienen, die für eine
oder mehrere Funktionen verwendet wird. Die Palette 180 kann
eine Basis für
eine Kommunikationsrelaisstation 182 sein, sei es, um Nachrichten
zu senden, Nachrichten zu empfangen, um nur als Reflektor für Nachrichten
zu dienen, oder um als eine Relaisstation zu dienen, die betriebsfähig ist,
die ankommenden Nachrichten zu verstärken und sie erneut zu senden.
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Die
Palette 180 kann auch eine Plattform für eines oder mehreres einer
(a) Kameraausrüstung, wie
einer kreiselstabilisierten Kamera 184, sei es eine Standbildkamera
oder eine Videokamera; (b) einer Thermographieanlage 186;
(c) eines Radargeräts 188;
und (d) einer Funksignalüberwachungsausrüstung bereitstellen.
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In
dem Maß,
in dem die Außenhülle 22 und die
Gaszelle 30 im allgemeinen für elektromagnetische Wellen
in den interessierenden Frequenzbereichen durchlässig sind, d. h. den Kommunikations- und
Radarfrequenzen, stellt das Luftfahrzeug 20 einen geeigneten,
geschützten
Träger
für entweder Empfangs-
oder Sendeantennen 190 und eine andere Ausrüstung bereit.
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Alternative Gestaltungen
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Das
Luftschiff braucht nicht genau kugelförmig zu sein. Zum Beispiel
könnte
die im allgemeinen kugelförmige
Form etwas länglich
sein, oder könnte etwas
höher als
breit, oder breiter als hoch sein. Das heißt, wenn es kugelförmig ist,
kann die Länge
des Luftschiffs 20 längs
der x-Achse im Bereich von etwa 80% bis 200% der längs der
y-Achse gemessenen Breite des Luftschiffs liegen, und die längs der
z-Achse gemessene Höhe
des Luftfahrzeugs kann im Bereich ½ bis 1½ seiner Länge liegen. Das Luftschiff 20 braucht
kein perfekter Rotationskörper
sein. Das heißt,
der obere Abschnitt des Luftschiffs 20 kann mit einem größeren Krümmungsradius
als der untere Abschnitt oder umgekehrt ausgebildet sein, oder kann
eine abgerundete rechteckige oder trapezförmige Form aufweisen, wenn
er im Querschnitt betrachtet wird, sei es, um eine geeignete Form
für die
Solarzel lenanordnung 50 oder für ein Kommunikationsantennenfeld
bereitzustellen oder aus einem anderen Grund. Gleichwohl wird bevorzugt,
daß die
Abmessungen des Luftschiffs 20 so gestaltet sind, daß das Luftschiff 20 im
allgemeinen im wesentlichen kugelförmig ist.
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Traggas
-
Für den Höhenbetrieb
(was einen Betrieb über
5500 m (18000 ft) und insbesondere über 12200 m (40000 ft) bedeutet)
bevorzugt der gegenwärtige Erfinder
die Verwendung von Wasserstoff als Traggas. Die Entflammbarkeit
von Wasserstoff und die Folgen eines Feuers an Bord eines mit Wasserstoff gefüllten Luftschiffs
sind wohlbekannt, und gegenwärtig
vermeiden Fachleute in der Regel die Verwendung von Wasserstoff
als Traggas. In dieser Hinsicht hat die Verwendung von Helium, einem
Edelgas, allgemein Wasserstoff in Prall-Luftschiffen ersetzt. Jedoch
kann eine Höhendrohne,
die für
lange Zeitspannen in Position gehalten wird, in der Regel eine geeignete
Anwendung für
Wasserstoff sein. Das heißt, je
höher die
Höhe, je
dünner
die Luft, und die Luft in großer
Höhe ist
hinreichend dünn,
so daß sie
in der Regel ohne Kompression eine Verbrennung nicht unterstützen wird.
Zweitens, wenn es als eine Überwachungsplattform
oder als eine Kommunikationsstation verwendet wird, wird das Luftschiff 20 in
der Regel nur selten landen und starten, was die Gelegenheit für unglückliche
Ereignisse vermindert. Drittens ist das Luftfahrzeug in der bevorzugten
Ausführungsform
unbemannt. Für
Anwendungen in niedriger Höhe,
oder Anwendungen, die einen bemannten Flug umfassen, wird Helium
bevorzugt.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Luftschiffs
220 wird in
6 gezeigt.
Das Luftschiff
220 ist in seiner Struktur und seinem Betrieb ähnlich zum Luftschiff
20,
unterscheidet sich jedoch darin, daß es ein Paar ausladender Propeller
222,
224 und
Richtleitschaufelanordnungen
226,
228 zum Richten
der Nachwirkung der Propeller nach oben oder nach unten aufweist,
um aufzusteigen oder zu sinken, in der Weise, die in meinem
US-Patent 5,294,076 beschrieben
wird.
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In
einer anderen alternativen Ausführungsform,
die in 7 gezeigt wird, ist ein Luftschiff 230 dasselbe
wie das Luftschiff 20, weist jedoch ein unter Druck gesetztes
Cockpit 232 für
einen Piloten auf. Der Pilot ist mit einem Höhendruckanzug versehen und
ist mit einer Sauerstoffversorgung 234 verbunden.
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Die
Verwendung eines nach hinten schiebenden Propellers, wie des Propellers 74 ist
nicht auf ein im wesentlichen kugelförmiges Luftschiff beschränkt, wie
ein Luftschiff 20 zur Verwendung in großen Höhen. In einer alternativen
Ausführungsform kann
ein Druckpropeller ebenso während
des Betriebs in niedriger Höhe
verwendet werden.
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Die
Aufblähungsproportion
der Gaszelle 30 auf Meereshöhe entspricht in der Regel
der Betriebsgipfelhöhe
des Luftfahrzeugs. Das heißt,
es kann eine teilweise Aufblähung
für eine gegebene
Betriebsgipfelhöhe
vorgenommen werden, seien es 3000 m, 5500 m, 12200 m, 18300 m (10000
ft, 18000 ft, 40000 ft, 600000 ft) oder höher. Das Volumen der Aufblähung auf
Meereshöhe
kann in der Größenordnung
von 70% der maximalen Volumenaufblähung, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
3000 m (10000 ft) zu erzielen, 50%, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
5500 m (18000 ft) zu erzielen, 25%, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
10500 m (35000 ft) zu erzielen, 20%, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa 12200
m (40000 ft) zu erzielen, 10%, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
15200 m (50000 ft) zu erzielen, etwa 7½%, um zu eine Betriebsgipfelhöhe von 182000
m (60000 ft) zu erzielen, und etwa 5% liegen, um eine Betriebsgipfelhöhe von etwa
21300 m (70000 ft) zu erzielen. In der bevorzugten Ausführungsform
weist das Luftfahrzeug eine Betriebsgipfelhöhe von etwa 18300 m (60000
ft) auf.
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Beim
Betrieb als eine treibende Plattform wird die Außenhülle 22 durch den Ventilator 26 unter Druck
gesetzt, und die verschiedenen Ausrüstungsfächer werden beladen, und der
Kraftstoffvorratsbehälter
wird gefüllt.
Die Gaszelle 30 wird mit ausreichend Traggas aufgeblasen,
um einen neutralen Auftrieb bereitzustellen, wobei sich das Traggas
in der Regel in der Zelle 30 nahe des oberen Endpunkts
der kugelförmigen
Hülle der
Außenhülle 22 sammelt,
wobei die schwersten Gegenstände,
nämlich
die Ausrüstungsmodule
am unteren Endpunkt angebracht sind. Diese Relativanordnung wird
in der Regel einen Auftriebspunkt ergeben, der sich genau über dem Schwerpunkt
befindet, was in der Regel selbst bei einer teilweisen Aufblähung Stabilität liefert.
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Wenn
ein annährend
neutraler Auftrieb erreicht worden ist, wird das Antriebs- und Steuersystem
aktiviert, um das Luftschiff 20 zu einem erwünschten
Aufenthaltsort oder auf einer Patrouillenroute zu führen, während derer Überwachungen durchgeführt werden.
Wenn das Luftschiff 20 an seinem Aufenthaltsort 400 eingerichtet
worden ist, kann es als eine Telekommunikationsplattform oder als eine Überwachungsplattform
mit einer ge eigneten Ausrüstung
verwendet werden, wie oben spezifiziert. Während des Treibens wird das
Antriebs- und Steuersystem betrieben, um das Luftschiff 20 in
einer Sollzone zu halten. Dies kann entweder automatisch durch eine
zentrale Verarbeitungsanlage an Bord des Luftschiffs 20 oder
durch eine entfernte Verarbeitungsanlage geschehen, die die Bedingungen
an Bord des Luftschiffs 20 überwacht und entsprechend Befehle
an die verschiedenen Antriebskomponenten überträgt. Während des Betriebs bei Tageslicht
lädt die
Solarzellenanordnung 50 Batterien 48 oder lädt die Brennstoffzelle 166 wieder
auf. Während
des Betriebs bei Nacht arbeiten die Propeller 44, 46, 74 durch
Batteriestrom, Brennstoffzellenstrom oder Strom, der durch die Hilfsstromversorgungseinheit 52 erzeugt
wird. Nach einer Zeitspanne, wie mehreren Tagen oder möglicherweise
einem Monat oder mehr, kann ein zweites Luftschiff verwendet werden, um
das Luftschiff 20 aufzutanken und um den Traggasvorratsbehälter nachzufüllen.
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Während des
Treibens kann das Luftschiff 20 einen oder mehrere der
Schritte ausführen:
Photographieren 402; Aufnehmen von Wärmebildern 404; Funksignalbeobachtung,
-Überwachung
oder – Störung 406;
Radarbetrieb 408; oder Empfangen, Senden, Reflektieren,
Verstärken
oder Weiterleiten von Telekommunikationssignalen 410. In
dem Ausmaß, in
dem die Außenhülle 22 und
die Gaszelle 30 im wesentlichen durchscheinend sind, können Lichter 130 innerhalb
des Luftschiffs 22 verwendet werden, um das Luftschiff 22 zu
beleuchten, und angesichts seiner Höhe und verhältnismäßig großen Größe (unter Umständen etwa
75 m (250 ft) Durchmesser in einer Ausführungsform), kann das Luftschiff 22 als
ein Leuchtfeuer, das aus weiten Entfernungen sichtbar ist, oder
als eine Anzeige zur Werbung dienen.
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Es
sind nun verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung im Detail beschrieben worden. Da Änderungen an und oder Hinfügungen zu
der oben beschriebenen besten Art vorgenommen werden können, ohne
die Natur, den Geist oder Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist
die Erfindung nicht auf jene Details zu beschränken, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.