[发明专利]高空飞行器机翼几何形状

说明书

技术领域

本发明涉及高空飞行器的机翼几何形状，所述高空飞行器在高空提供信息服务，包括电信、观测、天文和定位服务。

背景技术

已经提出高空平台(位于从10到35km海拔高度的飞行器和比空气轻的结构)-HAPS来用于支持各种各样的应用。电信、定位、观测和其他信息服务领域正在吸引越来越多的关注，并且尤其是提供高速互联网、电子邮件、电话、电视服务、游戏、视频点播、以及全球定位。

高空平台拥有超越卫星的若干优点，这是因为高空平台在距离地球表面显著更近地运行，典型地在大约20km的海拔高度处。地球同步卫星典型地位于40,000km左右的轨道上，并且低轨道地球卫星通常在600km至3000km处。在较低的海拔高度存在卫星，但其寿命是非常有限的，随之而来的是经济上的影响。

与卫星相比，高空平台的这种相对接近性导致了从源头发射出信号的时间以及接收到应答的时间(系统的“延迟”)要短得多。此外，高空飞行器处于标准移动电话的就信号功率和信号延迟而言的传输范围内。任何卫星都超出了地面移动电话网络的范围。

高空平台还避免了卫星所需的火箭推进发射，火箭推进发射加速度高并且振动剧烈，并且伴随对卫星成本的影响的高发射失败率。

与卫星有效载荷相比，可以轻松地且以适度的成本回收高空平台上的有效载荷。较少的需求测试要求导致了较短的开发时间和较低的成本。

美国专利7,046,934披露了一种用于与卫星相结合来提供信息服务的高空气球。

US 20040118969 A1、WO 2005084156 A2、US 5518205 A、US 2011/0031354 A1、US 2014/0252156 A1披露了高空飞行器的具体设计。

然而，从高空平台提供可靠的信息服务存在着大量的和明显的技术挑战。可靠性、覆盖范围以及每单位地面面积的数据容量是移动电话、设备通信系统、地球观测和定位服务的关键性能指标。

政府监管机构通常会限定系统发射电磁辐射所使用的频率和带宽。波长越短，给定部分带宽所可能的数据速率越高，但是通过雨水或墙壁等障碍物时的衰减越大，并且可以用于提供良好覆盖范围的衍射也越有限。这些约束条件导致世界上大多数地区选择0.7到5GHz之间的载波频率、典型地选择10到200MHz的带宽。

对于每单位地面面积的高数据速率存在着需求，其将从目前的1-10Mbps/平方千米量级水平逐渐增大到接下来几十年的比这大出许多的数量级。

为了提供对每单位地面面积的高数据速率，高空长航时(HALE)无人飞行器或自由飞行浮空器或系留浮空器需要携带大型天线，以区分地面上基站紧密的收发器。较大直径的天线导致系统较小的角分辨率，因此系统所能够分辨的地面上的距离更短。分辨率最终由本领域技术人员熟知的“瑞利准则”来确定。天线分辨率越高，每单位地面面积的可能的数据速率就越高。

然而，将大直径天线装配到高空飞行器通常所使用的机翼或机身结构上会带来空气动力学上的显著不利后果。

为了避免短飞行耐久力给HALE飞行器造成的成本和缺少可用性的问题，几周或几个月而不是几个小时的飞行耐久力是所需要的。在这样的飞行器中，能量由太阳能电池或者氢燃料提供，所述太阳能电池具有电池存储系统以便夜间提供动力。此能量用于推进系统和有效载荷功率。空气动力学阻力消耗能量并减少可用有效载荷能量，并且可以缩减飞行器的运行速度、海拔高度和自主活动范围。因此，非常希望使飞行器的空气动力学阻力最小化。

因此，这样的承载天线的飞行器的关键问题是确保飞行器结构能够适应相关的天线几何形状，同时具有较低的空气动力学阻力以使能量需求最小化，并且具有合适分布的重量分布以使结构重量最小化。

存在各种各样安装在HALE飞行器上时具有优势的天线。尤其有用的是相控阵天线和喇叭形天线。这两种形式的天线可以提供低重量高增益系统，该系统传送或接收适当波长的电磁辐射，以用于与地基系统(例如移动电话、计算机或基站)通信。在此发明的上下文中，“地面”包括水体和陆地的表面，并且因此包括海洋。

对于往返地面的高数据速率，波束的轴线通常应该是接近竖直的，以使飞机和与其通信的地基接收器或发射器之间的距离最小化。在由指向不同方向的若干不同的天线构成的天线集群内，单个的天线可以相对于竖直方向以大的角度来发射或接收，但是集群的轴线通常将接近竖直方向，以确保飞行器与地基收发器之间的距离被最小化。