(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体内空間が浮揚ガスおよび空気の通過を遮断する可撓性の隔膜により上層の浮揚ガス収容領域と下層の空気収容領域とに仕切られるとともに、下層の空気収容領域内は機軸方向に設けられた複数の隔壁によって複数の領域に分割され、該下層の空気収容領域における各空気セルは空気の機軸方向通過が遮断され、該各空気セルに、該各空気セル内の空気を吸気又は排気する吸排気手段を備えた飛行船であって、
前記各空気セルの最下部と、前記浮揚ガス収容領域の天頂部とに、機体内外差圧を計測する差圧計を具備させるとともに、
該差圧計の計測値に基いて、前記各空気セル内の空気を前記吸排気手段で吸気又は排気する制御装置を具備させ、
前記制御装置は、前記各空気セルの差圧計の計測値に基く各空気セル内の空気量算出と、前記浮揚ガス収容領域の差圧計と前記空気収容領域における中央空気セルの差圧計の計測値に基いて該中央空気セル内の空気を前記吸排気手段で吸気又は排気して前記差圧計の差圧が制御目標値となるようにする制御と、前記中央空気セルに対する他の空気セル内の空気量過不足を各空気セルの吸排気手段で調整する制御とを行うように構成されていることを特徴とする飛行船。
【請求項２】
前記各差圧計は機体の一部にまとめて配置され、該差圧計は同一の取付け高さで配置されている請求項１に記載の飛行船。
【請求項３】
前記差圧計は各空気セルに配置され、
前記制御装置は、各空気セルに配置された差圧計の配置高さの差を補正するように構成されている請求項１に記載の飛行船。
【請求項４】
前記吸排気手段は、吸気ブロワと排気バルブとの組合わせであり、
前記制御装置は、前記吸気ブロワと排気バルブとを制御して前記差圧計の差圧が制御目標値となるように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の飛行船。
【請求項５】
機体内空間が浮揚ガスおよび空気の通過を遮断する可撓性の隔膜により上層の浮揚ガス収容領域と下層の空気収容領域とに仕切られるとともに、下層の空気収容領域内は機軸方向に設けられた複数の隔壁によって複数の領域に分割され、該下層の空気収容領域における各空気セルは空気の機軸方向通過が遮断され、該各空気セルに、該各空気セル内の空気を吸気又は排気する吸排気手段を備えた飛行船の姿勢制御方法であって、
機体内空間の上層の浮揚ガス収容領域における天頂部の機体内外差圧と、前記空気収容領域における中央空気セルの最下部の機体内外差圧とに基いて、該中央空気セルの機体内外差圧が制御目標値となるように空気量を制御する中央セル制御ループと、
該中央セル制御ループで制御される前記中央空気セルの機体内外差圧と一致するように、他の空気セルの空気量を制御して機体内外差圧を制御するセル間差圧制御ループと、によって機体の姿勢を制御することを特徴とする飛行船の姿勢制御方法。
【請求項６】
前記機体の高空位置における姿勢制御を、前記中央セル制御ループによる浮揚ガス収容領域における天頂部の機体内外差圧と中央空気セルの最下部の機体内外差圧とに基く前記中央空気セルの空気量制御のみで行う請求項５に記載の飛行船の姿勢制御方法。
【請求項７】
前記セル間差圧制御ループによる空気量の制御は、
機体のピッチ角情報とピッチ角目標値との差分をセル間差圧制御ループに付加して前記浮揚ガス収容領域と空気収容領域との境界面高さが一定範囲に揃うように調整する制御である請求項５に記載の飛行船の姿勢制御方法。
【請求項８】
前記セル間差圧制御ループによる空気量の制御は、
機体のピッチ角情報とピッチ角目標値との差分をセル間差圧制御ループに付加して機体前端と後端の空気セルの空気量を調整する制御である請求項５に記載の飛行船の姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高空（成層圏等）まで上昇させ、また高空から降下させる飛行船と、その飛行船の上昇／降下時等における姿勢制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行船は、地上基地で係留され、必要に応じて所定の飛行高度まで上昇させているが、近年、高空（成層圏等）に大型の飛行船を停船させて情報通信、放送、監視、気象観測等を行おうとする考えがある。
【０００３】
この種の飛行船として、例えば、機体内の空間部分を上層の浮揚ガス収容領域と下層の空気収容領域とに可撓性の隔膜で仕切るとともに、機軸方向を隔壁で複数に分割したマルチセル方式（以下、各空気収容領域を「空気セル」という）の飛行船が先に出願されている（例えば、特許文献１参照）。このマルチセル方式の飛行船は、上記浮揚ガス収容領域は通気孔で浮揚ガスの通過を許容し、空気収容領域（空気セル）は気密性シートで空気の通過を遮断している。
【０００４】
このような飛行船を高空（例えば、２０ｋｍ上空の成層圏等）に上昇／降下させる場合、高空では周囲の大気密度が減少（例えば、２０ｋｍ上空では、大気密度は地上の約１／１４程度）するので、内部の浮揚ガス（例えば、ヘリウムガス）が大きく膨張し、その体積変化分の機体内空気を船外に排気する制御を安定して行わなければならない。
【０００５】
この種の従来技術として、例えば、船体の内部に空気を供給する空気供給手段を船体の内部空気情報と外気情報とに基いて駆動して船体の内部圧力を制御する圧力制御手段を設け、この圧力制御手段と空気供給手段とを飛行船の外部に移動自在に配置することで外部からの電力供給を受けるようにして飛行船の圧力を管理するようにしたものがある。（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３５２２７１１号公報
【特許文献２】特開２００５−２８０４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したように、飛行船を、例えば、高度２０ｋｍ程度の高空まで上昇／高空から降下させる場合、上記したように飛行船を姿勢制御するのは非常に難しく、上記特許文献２のような制御では安定した姿勢制御は難しい。
【０００８】
このことは、高空（成層圏等）に上昇／降下する飛行船では、機体上昇により、上記したように周囲の大気密度が大幅に減少するので、その大気密度変化に対応して内部の浮揚ガス領域が膨張し、その体積変化分と空気密度の変化に伴う空気の体積増加分の機体内空気を船外に排気するが、極端な内部構造の変化（浮揚ガス領域と空気領域の体積変化）は機体のピッチ制御、機体内外差圧制御に大きく影響し、従来の方法では船体を安定させる制御が難しいことによる。
【０００９】
しかも、この浮揚ガス量と空気量との制御は、機体各部の空気領域における空気量に差があると、機体前後方向の機体内空気重量のアンバランスにより、船体が不用意なピッチ角を持つことになる。その上、各空気領域の上面と浮揚ガス領域との境界面（隔膜面）が不揃いになると、その境界面高さの差分で差圧が発生し、船体内外差圧制御範囲がその分減少し、差圧／浮力制御に影響する。また、この差圧によって隔壁に対して余計な荷重が作用することにもなる。
【００１０】
このように、従来の上昇／降下方法では、飛行船を高空まで上昇／降下させることが安定して行えない場合や、高空での姿勢制御、圧力制御が安定して行えない場合がある。
【００１１】
そこで、本発明は、高空まで安定して上昇／降下できる飛行船と、その飛行船の圧力、姿勢制御を安定して行える制御方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る飛行船は、機体内空間が浮揚ガスおよび空気の通過を遮断する可撓性の隔膜により上層の浮揚ガス収容領域と下層の空気収容領域とに仕切られるとともに、下層の空気収容領域内は機軸方向に設けられた複数の隔壁によって複数の領域に分割され、該下層の空気収容領域における各空気セルは空気の機軸方向通過が遮断され、該各空気セルに、該各空気セル内の空気を吸気又は排気する吸排気手段を備えた飛行船であって、前記各空気セルの最下部と、前記浮揚ガス収容領域の天頂部とに、機体内外差圧を計測する差圧計を具備させるとともに、該差圧計の計測値に基いて、前記各空気セル内の空気を前記吸排気手段で吸気又は排気する制御装置を具備させ、前記制御装置は、前記各空気セルの差圧計の計測値に基く各空気セル内の空気量算出と、前記浮揚ガス収容領域の差圧計と前記空気収容領域における中央空気セルの差圧計の計測値に基いて該中央空気セル内の空気を前記吸排気手段で吸気又は排気して前記差圧計の差圧が制御目標値となるようにする制御と、前記中央空気セルに対する他の空気セル内の空気量過不足を各空気セルの吸排気手段で調整する制御とを行うように構成されていることを特徴とする。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「浮揚ガス収容領域」及び「空気収容領域」は、それぞれ「ガス嚢」及び「空気嚢」を備えた構成を含む。また、「最下部」と「天頂部」は、機体の水平状態における「最下部」と「天頂部」とをいう。さらに、「中央空気セル」は、機軸方向の中央部に位置する「空気収容領域」をいう。これにより、浮揚ガス収容領域と中央空気セルとで計測された差圧に基いて中央空気セルの空気量を制御する差圧コントロール制御である中央セル制御ループと、中央空気セルの差圧と一致するようにその他の空気セルの差圧を制御するセル間差圧制御ループとの２種類の制御ループによって、大型の飛行船を高空（成層圏）まで上昇／降下させる時の圧力、姿勢制御を安定して行うことができる。しかも、この飛行船を、あらゆる高度にて圧力、ピッチ制御することが安定してできる。
【００１３】
また、前記各差圧計は機体の一部にまとめて配置され、該差圧計は同一の取付け高さで配置されていてもよい。このようにすれば、空気／浮揚ガス境界の位置を差圧計の計測値から直読することができる。しかも、ゴンドラ等に集めて設置することにより、差圧計を外気にさらされることがないようにできるので、外気温度変化／差圧計間温度差による誤差をなくすことができる。その上、メンテナンスを容易に行うことができる。
【００１４】
さらに、前記差圧計は各空気セルに配置され、前記制御装置は、各空気セルに配置された差圧計の配置高さの差を補正するように構成されていてもよい。このようにすれば、各差圧計の計測値を各空気収容領域における空気深さ情報として直接使用することができる。他の計測値との比較は、配置高さの差を補正することによって行うことができる。
【００１５】
また、前記吸排気手段は、吸気ブロワと排気バルブとの組合わせであり、前記制御装置は、前記吸気ブロワと排気バルブとを制御して前記差圧計の差圧が制御目標値となるように構成されていてもよい。このようにすれば、信頼性のある吸排気手段によって空気収容領域の空気を吸排気するように構成することができる。
【００１６】
一方、本発明に係る飛行船の姿勢制御方法は、機体内空間が浮揚ガスおよび空気の通過を遮断する可撓性の隔膜により上層の浮揚ガス収容領域と下層の空気収容領域とに仕切られるとともに、下層の空気収容領域内は機軸方向に設けられた複数の隔壁によって複数の領域に分割され、該下層の空気収容領域における各空気セルは空気の機軸方向通過が遮断され、該各空気セルに、該各空気セル内の空気を吸気又は排気する吸排気手段を備えた飛行船の姿勢制御方法であって、機体内空間の上層の浮揚ガス収容領域における天頂部の機体内外差圧と、前記空気収容領域における中央空気セルの最下部の機体内外差圧とに基いて、該中央空気セルの機体内外差圧が制御目標値となるように空気量を制御する中央セル制御ループと、該中央セル制御ループで制御される前記中央空気セルの機体内外差圧と一致するように、他の空気セルの空気量を制御して機体内外差圧を制御するセル間差圧制御ループと、によって機体の姿勢を制御することを特徴とする。これにより、浮揚ガス収容領域と中央空気セルとの差圧に基く中央空気セルの内圧制御である差圧コントロール制御の中央セル制御ループと、中央空気セルの差圧に基いて他の空気セル間の差圧を一致させるように制御するセル間差圧制御ループとの２種類の制御ループによって、大型の飛行船を高空（成層圏）まで上昇／降下させる時の姿勢制御を安定して行うことができる。
【００１７】
また、前記機体の高空位置における姿勢制御を、前記中央セル制御ループによる浮揚ガス収容領域における天頂部の機体内外差圧と中央空気セルの最下部の機体内外差圧とに基く前記中央空気セルの空気量制御のみで行うようにしてもよい。このようにすれば、機体内の残存空気重量が姿勢制御に大きく影響しない高空位置においては、中央空気セルのみの制御として制御系の単純化と長期安定化を図ることができる。 
【００１８】
さらに、前記セル間差圧制御ループによる空気量の制御は、機体のピッチ角情報とピッチ角目標値との差分をセル間差圧制御ループに付加して前記浮揚ガス収容領域と空気収容領域との境界面高さが一定範囲に揃うように調整する制御であってもよい。このようにすれば、機体の前後方向の各空気セル内の空気量を変えて空気量バランスを安定させることで、機体のピッチ制御を安定して行うことができる。
【００１９】
また、前記セル間差圧制御ループによる空気量の制御は、機体のピッチ角情報とピッチ角目標値との差分をセル間差圧制御ループに付加して機体前端と後端の空気セルの空気量を調整する制御であってもよい。このようにすれば、機体の前端と後端とにおける空気量制御で非常に大きな機体であっても迅速に安定した姿勢制御ができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、飛行船を高空まで上昇させ、その高空で滞空させるとともに高空から降下させる時の飛行船の姿勢制御を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る飛行船の浮力関連制御機器を模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示す飛行船の吸気／排気制御方法を行う構成を模式的に示す側面図である。
【図３】図１に示す飛行船の地上台車上における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図４】図１に示す飛行船の上昇前期における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図５】図１に示す飛行船の上昇後期における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図６】図１に示す飛行船の滞空時における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図７】図１に示す飛行船の降下前期における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図８】図１に示す飛行船の降下後期における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図９】図１に示す飛行船の低空滞空時における吸気／排気制御を示す側面図である。
【図１０】図１に示す飛行船の低空時におけるピッチ制御を示す側面図である。
【図１１】図１に示す飛行船の高空時におけるピッチ制御を示す側面図である。
【図１２】本発明の第２実施の形態に係る飛行船の高空時におけるピッチ制御を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施の形態では、上述したマルチセル方式の飛行船において、機軸方向が５セルに分割された例を説明する。図１の左方向を前方、右方向を後方として説明する。これらの図では、機体後部に尾翼１２を示している。
【００２３】
図１に示すように、飛行船１は、機体２の内部空間３が浮揚ガスおよび空気の通過を遮断する可撓性の隔膜４により、上層の浮揚ガス収容領域５と、下層の空気収容領域６とに仕切られている。また、内部空間３は、機軸方向に設けられた複数の隔壁７によって５つ（複数）に分割されている。この分割数は、奇数が好ましい。
【００２４】
上記上層の浮揚ガス収容領域５は、浮揚ガスの通過を機軸方向に許容する通気孔８が設けられ、下層の空気収容領域６は、各領域間の空気の通過を遮断するように気密性が保たれた５つ（複数）の空気セル６ａ〜６ｅ（以下、単に「セル」ともいう）となっている。この各空気セル６ａ〜６ｅには、各空気セル６ａ〜６ｅ内への吸気と排気とを行う吸排気手段９ａ〜９ｅが設けられている。この実施の形態の吸排気手段９ａ〜９ｅは、吸気ブロワ１０ａ〜１０ｅと排気バルブ１１ａ〜１１ｅとによって構成されている。
【００２５】
そして、上記機体２の天頂部には、上記浮揚ガス収容領域５の頂部において、この浮揚ガス収容領域５の内部圧力と外気圧力との差圧を検知する頂部差圧センサ１５（差圧計）が設けられている。この頂部差圧センサ１５は、浮揚ガス収容領域５内で浮揚ガスが最大圧となる機体最上部に設けられている。
【００２６】
また、上記各空気セル６ａ〜６ｅには、各空気セル６ａ〜６ｅの内部圧力と外気圧力との差圧を検知する差圧センサ１６ａ〜１６ｅ（差圧計）が設けられている。これらの差圧センサ１６ａ〜１６ｅは、各空気セル６ａ〜６ｅの最下部に設けられている。この実施の形態では、各空気セル６ａ〜６ｅに抽気口１７ａ〜１７ｅを設け、この抽気口１７ａ〜１７ｅから機体下部のゴンドラ（図示略）まで抽気パイプ１８ａ〜１８ｅを延設して、このゴンドラに差圧センサ１６ａ〜１６ｅがまとめて配置されている。
【００２７】
このように、差圧センサ１６ａ〜１６ｅをゴンドラに集めて設置し、その差圧センサ１６ａ〜１６ｅの高さ位置を同じにすることにより、空気／浮揚ガス境界（隔膜４の位置）を差圧センサ１６ａ〜１６ｅの計測値から直読できるようにしている。しかも、この場合、差圧センサ１６ａ〜１６ｅが外気にさらされることがないので、外気温度変化／センサ間温度差による誤差をなくすことができる。その上、メンテナンスを容易に行うことができる。
【００２８】
また、上記頂部差圧センサ１５は配線１９によって制御装置２１に接続され、上記差圧センサ１６ａ〜１６ｅは、配線２０によって制御装置２１に接続されている。この制御装置２１は、ゴンドラに設けられており、浮力関連の制御コマンドが記憶されている。なお、図示は省略しているが、機体２には、機体２のピッチ角を検出するピッチ角センサが設けられている。
【００２９】
さらに、上記各空気セル６ａ〜６ｅに設けられた吸気ブロワ１０ａ〜１０ｅは、配線２２によって制御装置２１と接続されており、制御装置２１からの信号で駆動制御される。各排気バルブ１１ａ〜１１ｅは、配線２３によって制御装置２１と接続されており、制御装置２１からの信号で開閉制御される。
【００３０】
なお、上記構成の場合、機体２の両端部の空気セル６ａ，６ｅからの長い抽気パイプ１８ａ，１８ｅが必要になるとともに、その抽気パイプ１８ａ，１８ｅが外気にさらされて機体２内の空気温度と差があると機体内空気深さ計測結果に誤差を生じるので、温度を制御する手段を設けるか、あるいは抽気パイプ１８ａ，１８ｅを機体内空気層に設けて誤差を抑えるようにしてもよい。
【００３１】
図２に示すように、上記構成の飛行船１における姿勢制御方法の基本ループとしては、浮揚ガス収容領域５と中央空気セル６ｃとにおける差圧コントロール制御ループである「中央セル制御ループＡ」と、中央空気セル６ｃとその他のセル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ間の差圧を制御する「セル間差圧制御ループＢ」の２種類がある。図では、左側に「中央セル制御ループ」を示し、右側に「セル間差圧制御ループ」を示している。この「セル間差圧制御ループ」は、図では記載を省略しているが、中央空気セル６ｃと他のセル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅとの間に図示する構成を各々有している。
【００３２】
上記中央セル制御ループＡは 、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５により、機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、差圧センサ１６ｃにより中央空気セル６ｃの差圧が計測され、それらの計測結果に応じて、最大機体内外差圧が許容値を超えないように中央空気セル６ｃにおける差圧制御目標値が設定され、その目標値によって、中央空気セル６ｃへの吸気／排気が制御されるものである。この中央空気セル６ｃへの吸気／排気は、例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ｃが開放され、セル内空気が排気される。また、差圧が低い場合には、吸気ブロワ１０ｃが作動して、外気が空気セル６ｃ内に取り込まれる。基本的な機体２の差圧関連制御はこの単純な制御ループによってのみ機体側に反映されている。この中央セル制御ループＡは、すべての状態において常時作動させられる。
【００３３】
一方、上記セル間差圧制御ループＢは、中央空気セル６ｃの差圧が制御目標値（差圧）に制御され、その制御目標値に制御された中央空気セル６ｃの差圧に他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧を追随させるようにフィードバック制御するものである。つまり、中央空気セル６ｃの差圧を参照して、他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧を一致させるように制御する、中央セル差圧追随制御となっている。この制御は、各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの吸気ブロワ１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅの駆動と、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが開閉によって行われる。図では、空気セル６ｄの制御のみを図示しているが、他の空気６ａ，６ｂ，６ｅも同様に制御される。このセル間差圧制御ループＢは、各状態、高度において、必要に応じて作動させられる。
【００３４】
このように、上記飛行船１によれば、空気収容領域６の各空気セル６ａ〜６ｅ内の空気を吸排気することによる姿勢制御を、各空気セル６ａ〜６ｅに配置された吸気ブロワ１０ａ〜１０ｅ及び排気バルブ１１ａ〜１１ｅと、空気量を検出する差圧センサ１６ａ〜１６ｅ（外気との差圧を検出）のみにて姿勢制御するようになっており、飛行船１における基本的な機体２の差圧関連制御は、これらの制御ループによって機体側に反映される。
【００３５】
以下、上記飛行船１の各状態、高度における姿勢制御方法を説明する。
【００３６】
図３に示すように、地上台車１３上における飛行船１の姿勢制御としては、中央空気セル６ｃのみの圧力制御を行い、この中央空気セル６ｃの圧力に他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ内を均圧するようにしている。
【００３７】
この状態では、各空気セル６ａ〜６ｅの空気量／圧力が自動的に均一に調整された状態で、機体２の天頂部に設けられた頂部差圧センサ１５により、機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値となるように、中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃと排気バルブ１１ｃとによって空気量が制御される。
【００３８】
そのため、中央空気セル６ｃ（第三セル）の空気圧力を制御することによる内部圧力の変動に伴い、他のセル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの内部圧力が均圧用パイプ３０によって均圧となって機体全体の差圧が制御される。
【００３９】
このように、地上台車１３上であれば、離陸前に実施する浮揚ガス量（浮力）調整を空気量／圧力を気にすることなく実施することができる。また、この状態で、各セル６ａ〜６ｅの空気用差圧センサ値を確認することもできる。
【００４０】
図４に示すように、飛行船１の上昇前期における吸気／排気制御としては、上記中央セル制御ループＡの制御により、機体２の天頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値となるように、中央空気セル６ｃの排気バルブ１１ｃ（必要に応じて、吸気ブロワ１０ｃ）によって差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ｃが開放され、開バルブ数の増加と、排気力の増加が図られる。一方、差圧が低い場合には、排気バルブ１１ｃが閉鎖され、開バルブ数の減少と、排気力の減少が図られる。これにより、機体全体の差圧（浮力／高度）が制御される。
【００４１】
一方、上記セル間差圧制御ループＢの制御により、中央空気セル６ｃ下部の差圧とその他の各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ下部の差圧とが比較され、これらの差圧が同じになるように吸排気制御される。図では、空気セル６ｄの制御のみを図示しているが、他の空気６ａ，６ｂ，６ｅも同様に制御される。このように中央空気セル６ｃの差圧に追随するように他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが開放されて、開バルブ数が増加し、排気力が増加させられる。一方、差圧が低い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが閉鎖されて、開バルブ数が減少し、排気力が減少させられる。このようにして、空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧が制御され、隔膜４の高さが一定となるような制御が行われる。
【００４２】
この場合、例えば、差圧センサ１６ａ〜１６ｅの信号精度を、例えば、レンジ１２００Ｐａ、精度１％と仮定し、３％までの差圧データを制御に用いるとすると、機体２の直径が約３３ｍの場合で、８〜９割の空気排気まで（到達高度にして、例えば、約１２ｋｍ以上）、安定した制御が可能である。また、この方式の場合、排気制御限界到達時には機体構造重量分布が支配的になり、機体は安定する。しかも、機体２が大型化するほど、本方式により排気できる機体内空気の割合は増加して、より安定した制御ができる。
【００４３】
図５に示すように、飛行船１の上昇後期における吸気／排気制御としては、上記中央セル制御ループＡの制御により、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値となるように、中央空気セル６ｃの排気バルブ１１ｃ（必要に応じて、吸気ブロワ１０ｃ）によって差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ｃが開放され、開バルブ数の増加と、排気力の増加が図られる。一方、差圧が低い場合には、排気バルブ１１ｃが閉鎖され、開バルブ数の減少と、排気力の減少が図られる。これにより、機体全体の差圧が制御される。
【００４４】
一方、上記セル間差圧制御ループＢの制御により、中央空気セル６ｃ以外のセル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅは、一定開度にてバルブ開状態となり、機体２の内外差圧により残存空気ができるだけ排気される。例えば、高度、約１２ｋｍ以上の場合、空気残量が１０％程度となるように排気される。このように、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅを一定開度で開状態として排気することにより、残存空気重量が姿勢制御に大きく影響しなくなった後は制御しないようにして、制御系の単純化を図っている。なお、上記上昇後期における吸気／排気制御を、上記図４に示す上昇前期における吸気／排気制御と同様に排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅを開閉させて行ってもよい。
【００４５】
図６に示すように、飛行船１の滞空時における吸気／排気制御としては、例えば、高度２０ｋｍ程度の高空（成層圏）で滞空させる場合、上記中央セル制御ループＡの制御によって姿勢制御される。すなわち、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値（滞空高度制御）となるように、吸気ブロワ１０ｃと排気バルブ１１ｃとによって制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ｃを開放して機体２内空気を排気し、差圧が低い場合には、吸気ブロワ１０ｃを作動させて外気を機体内に取り込む。これにより、機体２の全体の差圧（滞空高度）が制御される。
【００４６】
図７に示すように、飛行船１の降下前期における吸気／排気制御としては、上記中央セル制御ループＡの制御により、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値（最大差圧）となるように、中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃ（必要に応じて、排気バルブ１１ｃ）によって差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、吸気ブロワ１０ｃの出力を制限し、吸気量の減少が図られる。一方、差圧が低い場合には、吸気ブロワ１０ｃの出力を増大させ、吸気量の増加が図られる。このように、中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃ（排気バルブ１１ｃ）により機体全体の差圧が制御される。
【００４７】
一方、上記セル間差圧制御ループＢの制御により、空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの吸気ブロワ１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅが駆動されて、外気が機体２内に取り込まれる。これにより、機体２内の空気量が増えて機体が降下する。この時、中央空気セル６ｃを除く他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅを吸入した空気を排気するのに十分な一定開度で保持させ、これにより、吸気ブロワ１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅから吸入した外気を機体２内を通過させて排気することで、機体２内のガス圧縮に伴い発生する熱を逃すようにしてもよい。
【００４８】
このような制御は、たとえ各セルに取り込まれた空気の量にアンバランスが有る場合でも機体の重量バランスに影響しない範囲において（例えば、機体内体積割合で空気総量が１０％、高度約１２ｋｍまで降下するまで）適用される。このように、空気を取り込むことによって行う機体内差圧の制御を中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃの開度調整によって行い、他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅは吸気ブロワ１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅが空気を吸入するように制御される。
【００４９】
図８に示すように、飛行船１の降下後期における吸気／排気制御としては、上記中央セル制御ループＡの制御により、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値となるように、中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃ（必要に応じて、排気バルブ１１ｃ）によって差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、吸気ブロワ１０ｃの出力を制限し、吸気量の減少が図られる。一方、差圧が低い場合には、吸気ブロワ１０ｃの出力を増大させ、吸気量の増加が図られる。このように、中央空気セル６ｃ部分の吸気ブロワ１０ｃと排気バルブ１１ｃとにより、機体全体の差圧（浮力／高度）が制御される。
【００５０】
一方、上記セル間差圧制御ループＢの制御により、空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの吸気ブロワ１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅはフル作動した状態で、中央空気セル６ｃ下部の差圧とその他の各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ下部の差圧とが比較され、これらの差圧が同じになるように吸排気制御される。図では、空気セル６ｄの制御のみを図示しているが、他の空気６ａ，６ｂ，６ｅも同様に制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが開放されて、開バルブ数が増加し、排気力が増加させられる。一方、差圧が低い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが閉鎖されて、開バルブ数が減少し、排気力が減少させられる。
【００５１】
このように制御することにより、例えば、差圧センサ１６ａ〜１６ｅの信号精度を、例えば、レンジ１２００Ｐａ、精度１％と仮定し、３％までの差圧データを制御に用いるとすると、機体２の直径が約３３ｍの場合で、１〜２割の空気吸入状態から高度にして、例えば、約１２ｋｍ以下に降下する時に、機体内空気量が増加して機体２がバランスを崩すのを防ぐように各空気セル６ａ〜６ｅの空気量を制御することが可能である。なお、機体２が大型化するほど、空気量割合が小さい状態からの制御が可能になる。
【００５２】
図９に示すように、飛行船１の低空滞空時における吸気／排気制御としては、上記中央セル制御ループＡの制御により、機体２の頂部に設けられた頂部差圧センサ１５によって機体頂部における浮揚ガス収容領域５の差圧が計測され、その計測結果に応じて、中央空気セル６ｃが差圧制御目標値となるように、中央空気セル６ｃの吸気ブロワ１０ｃと排気バルブ１１ｃとの開閉によって差圧が制御される。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ｃが開放されて機体内空気が排気される。一方、差圧が低い場合には、吸気ブロワ１０ｃが作動して外気が機体内に取込まれる。このように、中央空気セル６ｃ部分の吸気ブロワ１０ｃと排気バルブ１１ｃとにより機体全体の差圧が制御される。
【００５３】
一方、上記セル間差圧制御ループＢの制御により、中央空気セル６ｃの下部差圧とその他の各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの下部差圧とが比較され、これらが同じになるように各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅにおける吸排気が制御される。この制御は、上昇時と同制御である。例えば、差圧が高い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが開放されて排気力が増え、各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧が下げられる。一方、差圧が低い場合には、排気バルブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが閉じられて排気力が減り、各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅの差圧が上げられる。
【００５４】
図１０に示すように、飛行船１の低空時におけるピッチ制御としては、この例のように、各空気セル６ａ〜６ｅの差圧センサ１６ａ〜１６ｅがゴンドラ内等の同一高さ位置に並べて設置された場合であれば、上記セル間差圧制御ループＢが作動中は、機体内空気深さＨが一定となるように空気量が制御される。
【００５５】
この空気量を調整してピッチコントロールする場合、「ピッチ角目標値」が設定され、機体２に設けられたピッチ角センサ（図示略）からの機体ピッチ角情報（センサ情報）との差分Ｃが、上記セル間差圧制御ループＢの制御に付加され、機体内空気深さＨが一定（隔膜４の高さが水平）となるように空気量が制御される。この図では、中央空気セル６ｃの差圧に対する機体２の前端部空気セル６ａの制御値は差分Ｃを加え、機体２の後端部空気セル６ｅの制御値は差分Ｃを減ずるように付加して制御する場合を示しており、空気セル６ａは吸気ブロワ１０ａによって外気が取り込まれ、空気セル６ｅは排気バルブ１１ａから排気されている。このピッチ制御は、図では端部の空気セル６ａ，６ｅのみに対して行うように記載しているが、中央空気セル６ｃ以外の全ての空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅにおけるセル間差圧制御ループＢに対して差分Ｃが付加されるので、空気セル６ａ，６ｂは吸気ブロワ１０ａ，１０ｂによって外気が取り込まれ、空気セル６ｅ，６ｄは排気バルブ１１ｅ，１１ｄから空気が排気される。これにより、矢印で示すように機体２の姿勢を制御することができる。
【００５６】
このように、セル間差圧制御ループＢにピッチ制御の差分Ｃを付加して機体内空気深さＨを一定にするように制御することにより、大型の飛行船１であっても安定したピッチ制御を行うことができる。
【００５７】
図１１に示すように、飛行船１の高空時におけるピッチ制御としては、上記飛行船１が高空に位置する状態で機体２内の空気量を調整してピッチコントロールする場合、「ピッチ角目標値」が設定され、機体２に設けられたピッチ角センサからの機体ピッチ角情報（センサ情報）との差分Ｃが、上記セル間差圧制御ループＢによる両端部のセル６ａ，６ｅの制御にのみ付加される。この図では、中央空気セル６ｃの差圧に対する機体２の前端部空気セル６ａの制御値は差分Ｃを加え、機体２の後端部空気セル６ｅの制御値は差分Ｃを減ずるように付加して制御する場合を示しており、前端空気セル６ａは吸気ブロワ１０ａによって外気が取り込まれ、後端空気セル６ｅは排気バルブ１１ａから空気が排気されている。これにより、矢印で示すように機体２の姿勢を制御することができる。
【００５８】
このように、前端空気セル６ａと後端空気セル６ｅとにおける空気量を制御することで、高空でのピッチ制御を容易な制御で迅速に行うことができる。しかも、機体２の前後端部における空気セル６ａ，６ｅに対してのみピッチ制御の差分Ｃを付加して制御するので、例えば、両端部の空気セル６ａ，６ｅの体積を全体の５％程度とすれば、少ない制御量で迅速な制御を行うことができる。
【００５９】
図１２は、本発明の第２実施の形態に係る飛行船の高空時におけるピッチ制御を示す側面図であり、この第２実施の形態では、各空気セル６ａ〜６ｅの差圧センサ１６ａ〜１６ｅが、それぞれの空気セル６ａ〜６ｅに設置されている。この場合、各差圧センサ１６ａ〜１６ｅの計測値は、その計測値を空気セル６ａ〜６ｅ内空気深さ情報として使用できるが、設置位置の高さＪａ，Ｊｅ（図では差圧センサ６ａ，６ｅのみを示す）に差があるため、中央空気セル６ｃの差圧センサ１６ｃ位置における機体内空気深さＨ（隔膜４の位置）に対する各空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅごとの補正信号が補正値演算部Ｄ（制御装置２１に内蔵）によって作成されるようになっている。なお、この第２実施の形態の場合、中央空気セル６ｃに設けられる差圧センサ１６ａ〜１６ｅ以外は機体２の外皮に直に取り付けられるので、高空等の極端な温度環境にて使用される場合には、温度変化によるセンサ誤差を考慮し、保温等の対策が必要に応じて行われる。
【００６０】
この第２実施の形態によって空気量を調整してピッチコントロールする場合、「ピッチ角目標値」が設定され、機体２に設けられたピッチ角センサからの機体ピッチ角情報、センサ位置補正値等の補正値Ｅが、上記補正値演算部Ｄで付加される。そして、この補正値演算部Ｄで付加された補正値の差分が、上記セル間差圧制御ループＢの制御に付加され、機体内空気深さＨが一定（隔膜４の高さが水平）となるように空気量が制御される。この図では、中央空気セル６ｃの差圧に対する機体２の前端部空気セル６ａの制御値は補正値の差分を加え、機体２の後端部空気セル６ｅの制御値は補正値の差分を減ずるように付加して制御する場合を示しており、空気セル６ａは吸気ブロワ１０ａによって外気が取り込まれ、空気セル６ｅは排気バルブ１１ａから排気されている。このピッチ制御は、図では端部の空気セル６ａ，６ｅのみに対して行うように記載しているが、中央空気セル６ｃ以外の全ての空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅにおけるセル間差圧制御ループＢに対しても補正値演算部Ｄによって演算された補正値の差分が付加されるので、空気セル６ａ，６ｂは吸気ブロワ１０ａ，１０ｂによって外気が取り込まれ、空気セル６ｅ，６ｄは排気バルブ１１ｅ，１１ｄから空気が排気される。これにより、矢印で示すように機体２の姿勢を制御することができる。
【００６１】
このように、セル間差圧制御ループＢに補正値演算部Ｄで演算されたピッチ制御の差分を付加して機体内空気深さＨを一定にするように制御することにより、大型の飛行船１であっても安定したピッチ制御を行うことができる。
【００６２】
以上のように、上記飛行船１によれば、浮揚ガス収容領域５と中央空気セル６ｃとにおける差圧コントロール制御である「中央セル制御ループＡ」と、中央空気セル６ｃとその他の空気セル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ間の差圧を一致させるように制御する「セル間差圧制御ループＢ」との、２種類の単純な制御ループのみにて、高空（成層圏）へ上昇／降下させる飛行船１の姿勢制御を長期間安定して行うことができる。
【００６３】
また、空気セル内空気量の調節によるピッチ制御を行う場合にも、セル間差圧制御ループＢにピッチ制御量に応じた差圧目標値の差分を加算した目標値を設定することにより、高空（成層圏）に昇降する飛行船１に対し、あらゆる高度において安定したピッチ制御を行うことができる。
【００６４】
従って、高空（成層圏）に大型の飛行船１を停船させて情報通信、放送、監視、気象観測等を行う場合の姿勢制御・運用を長期間安定して行うことが可能となる。
【００６５】
なお、上記実施の形態では、５セルのマルチセル方式の飛行船１を例に上昇／降下、ピッチ制御する例を説明したが、３セルのマルチセル方式などにも適用でき、飛行船の形式は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６７】
さらに、上述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係る飛行船は、姿勢制御を安定して行いながら大気圏等の高空まで上昇／降下させる飛行船として利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  飛行船
２  機体
３  内部空間
４  隔膜
５  浮揚ガス収容領域
６  空気収容領域
７  隔壁
８  通気孔
９ａ〜９ｅ  吸排気手段
１０ａ〜１０ｅ  吸気ブロワ
１１ａ〜１１ｅ  排気バルブ
１５  頂部差圧センサ
１６ａ〜１６ｅ  差圧センサ
１７ａ〜１７ｅ  抽気口
１８ａ〜１８ｅ  抽気パイプ
２１  制御装置
Ａ  中央セル制御ループ
Ｂ  セル間差圧制御ループ
Ｃ  差分
Ｄ  補正値演算部
Ｅ  補正値
Ｈ  機体内空気深さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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