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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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 verwen det; 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.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst der Ballast Wasser.
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Vorzugsweise
umfasst die Beobachtungsvorrichtung eine GPS-Sonde.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1:
ein Blockschaubild eines Hüllenparametereinstellsystems
als eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Einstellen von Parametern der Hülle eines Luftschiffs;
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2A, 2B, 2C und 2D:
Diagramme zur Hilfe beim Erklären
eines Hüllenparametereinstellverfahrens
als eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3:
ein Blockschaubild eines Hüllenparametereinstellsystems
als eine weitere Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Einstellen von Parametern der Hülle eines Luftschiffs;
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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;
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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;
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6:
eine Ansicht eines sehr großen
herkömmlichen
Luftschiffs, das eine Hülle
besitzt, die mit einem Heliumraumn und einem vom Heliumraum getrennten
Luftraum versehen ist;
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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;
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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
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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.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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
Hüllenpa rameter
eingestellt werden, als Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiteres Hüllenparametereinstellsystem, das
ein weiteres Hüllenparametereinstellverfahren als
eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung
aus führt,
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.
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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 Auf stiegsprofil 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Hüllenparametereinstellsystem
der vorliegenden Erfindung ist geeignet, das Hüllenparametereinstellverfahren
der vorliegenden Erfindung ohne weiteres mit hoher Zuverlässigkeit
auszuführen.
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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.
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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.
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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.