[发明专利]一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇，特别是涉及一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法与装置。

背景技术

近年来，在绿色航空、载重运输、信息平台等需求的牵引下，采用新技术、新材料的现代高性能飞艇蓬勃发展，在诸多应用领域可承担重要的角色。从当前发展重点来看，现代高性能飞艇主要包括高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等。这些飞艇具有长驻空、大载重的突出特点，对飞艇的浮力控制能力提出了很高的要求。以平流层飞艇为例，在上升和下降过程中，由于艇内气体随外界大气压力变化会产生热力学膨胀和压缩，其温度变化率若超过外界大气的温度变化率，则会产生超热(也称为过热)和过冷(也称为超冷)现象，以体积400,000m³的飞艇为例，地面1℃的过冷会产生约1,620kg的净重；在高空驻空期间，白天由于太阳辐射的影响，飞艇内部气体会产生超热现象，这一方面会使氦气膨胀，有可能超过允许的艇体体积，另一方面，会使得氦气密度降低，同时排出更多的空气，会产生数吨的净浮力(体积400,000m³的飞艇，过热30K约产生4吨的净浮力)，为使飞艇高度不变，需通过浮力调节手段，保持净浮力为零。因此，大范围(数吨)的浮力调节装置是保障飞艇上升到工作高度、保持高度定点和安全返回的关键设备。

传统的软式低空飞艇大多通过压力控制系统小范围地改变气体压力来实现一定的浮力调节，一些热气球和热气飞艇则采用燃烧器加热空气的方式改变浮力；气球和低空飞艇短期飞行也采用压舱物等方式改变飞艇净重进行浮力调节。这些方式均难以满足现代大型飞艇运行过程中需要的可逆的大范围浮力调节能力。如1999年出版的Airship Technology书中谈及的浮力调节方式。

根据气体状态方程可知，改变气体的温度和压力，可实现对气体密度的调节，从而改变飞艇的净浮力。因此，本发明提出了采用气体热力循环的方式，利用飞艇本身携带的气体作为工质，通过逆布雷顿等热力循环对飞艇气囊的气体进行加热和冷却，通过阀门切换对气囊的吸排气进行控制，可实现对气囊气体的温度和压力综合控制，从而达到飞艇浮力调节的要求。由于采用气囊中的空气和浮升气体作为工质，可采用开式热力循环，可采用气囊材料加工为循环回路，可对尾翼进行改造，作为与外界大气的换热器，从而简化系统设计，大幅降低体积重量的需求。

发明内容

本发明的目的是：为高空平流层飞艇、中空长航时无人飞艇、低空载重飞艇等现代高性能飞艇提供一种简单可靠的、轻量化的大范围浮力调节方法和装置。它采用气体热力循环的方式，具有制冷和制热两种工作模式，对气囊中的气体进行加热、冷却和充放气，改变气囊气体的温度和压力控制，从而实现飞艇大范围浮力调节；通过采用开式循环，利用飞艇本身携带的气体作为工质，系统简单可靠；利用气囊材料加工为循环回路，利用尾翼作为与外界大气的换热器，实现系统轻量化的目标。

本发明是这样实现的：一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，是对飞艇气囊中气体温度进行调节，实现浮力调节的方法，其中，使用气囊中气体作为传热媒介，使气囊内部气体与外部大气环境进行热交换，实现温度调节。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，用于防止飞艇过热，即进行制冷，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高于大气温度的高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与外部环境中的大气进行热交换，排出热量，由外部环境中的大气对高温高压气体降温，得到接近大气温度的中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，降温，得到低于大气温度的低温低压气体；

步骤4、将步骤3中得到的低温低压气体充入气囊，使气囊中温度降低。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，在所述气体为空气时，在步骤1中，从外部大气环境中吸入空气，将吸入气囊之后的空气，作为所述气囊内部分气体使用。

如上所述的一种采用气体热力循环的飞艇浮力调节方法，其中，用于防止飞艇过冷，即进行制热，包含如下步骤：

步骤1、对气囊内部分气体进行压缩，得到高温高压气体；

步骤2、将步骤1中得到的高温高压气体，与气囊内部的气体进行热交换，使气囊中温度升高，同时得到中温高压气体；

步骤3、对步骤2中得到的中温高压气体，进行膨胀，得到低温低压气体；