(57)【要約】【課題】  隠壁と外皮の接合部を強くしスロッシングを抑制すると共に、膜材の層構成を簡素化することができしかも広い温度範囲で耐久性があり、高高度へ安定浮揚することができる軟式飛行船を得る。【解決手段】  船体内を隔膜２４でヘリウム嚢２７を内包する多数の部屋４２に区切り、隔膜２４を船体外皮２２に対して隔膜ゴア２５を用いて二又状に接合して、接合部に外皮および隔膜ゴアで隔壁接合空間部４５を形成し、該空間部の圧力を外皮に通気孔２３を設けて外気と等しくすることで隔壁接合空間部４５に内外差圧を加え、前記隔膜に積極的に張力が付与されるようにした。各部屋に収納されたヘリウム嚢２７は、船外に設けたヘリウム通気管２６に接続し、ヘリウム嚢間でのヘリウムの移送によって重心の前後位置を移動させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体内を隔膜でヘリウム嚢を内包する多数の部屋に区切り、前記隔膜を船体外皮に対して隔膜ゴアを用いて二又状に接合して、接合部に前記外皮および前記隔膜ゴアで隔壁接合空間部を形成し、該隔壁接合空間部の圧力を前記外皮に通気孔を設けて外気と等しくすることで前記隔壁接合空間部に内外差圧を加え、前記隔膜に積極的に張力が付与されるようにしてなることを特徴とする飛行船。
【請求項２】
前記外皮は、強度と空気遮蔽能力だけ付与した膜材で形成され、前記ヘリウム嚢は強度を付与せずヘリウム遮蔽能力のみを付与した膜材で形成されていることを特徴とする請求項１の飛行船。
【請求項３】
前記外皮のゴア同士の接合は、接着剤による接合と縫製による接合の併用により行なわれていることを特徴とする請求項１又は２の飛行船。
【請求項４】
前記各部屋に収納された前記各ヘリウム嚢は、前記各部屋の天頂部に設けた一つの穴を介して船外に設けたヘリウム通気管に接続し、該ヘリウム通気管を通じてヘリウム嚢間でのヘリウムの移送によって重心の前後位置を移動させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の飛行船。
【請求項５】
前記ヘリウム嚢の形状を多面体とするとともに、大きさを船体内部の部屋より大きくすることを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の飛行船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行船、特に成層圏滞留等の高高度飛行が可能な軟式飛行船の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６〜図８は、従来の軟式飛行船の基本構造を示す。飛行船は、船体１の下部にゴンドラ２が取り付けられ、このゴンドラ２にプロペラ３および発動機４が取り付けられる。船体内部のカテナリーカーテン５およびカテナリーロープ６が重量物であるゴンドラ２を吊るし、ゴンドラ２の重量を船体外皮上面に分散させる。船体内部には前方バロネット７、中央バロネット８、後方バロネット９がある。ここで中央バロネット８は省略されることもある。
【０００３】
上記バロネットは、図７に模式的に示すように次のような働きをする。
１）外乱あるいは制御によって船体が上昇することに伴う内外差圧の増加に対して、バロネット内の空気をバルブ１２より放出することによって内外差圧を適正な値に抑え、船体の破壊を防ぐ。
２）外乱あるいは制御によって船体が下降することに伴う内外差圧の減少に対して、バロネット内にブロア１１より空気を取り込むことによって内外差圧を適正な値に保ち、船体の形状を保つ。
３）前後のバロネット間で、バルブ１２、ブロア１１、通気管１０を用いて空気を移送することで重心位置を前後に動かし、姿勢角を制御する。
以上のような作用をするバロネットの合計容積は、船体体積の３５％程度にとられる。地上でバロネットが空気でいっぱいに満たされた状態から、バロネットの体積が０になる高度を圧力高度と呼び、飛行船が飛ぶことができる最高高度となる。
【０００４】
上記のような従来の軟式飛行船で通常用いられる船体外皮は、図９に示すように、耐環境層１３、織布１４、ガスバリア層１５、耐摩耗層１６からなる層構成を採用している。前記耐環境層１３にはポリウレタンに酸化チタンを混入したものが、織布１４にはポリエステル繊維が、ガスバリア層１５にはエバール(登録商標)やサラン(登録商標)が、耐摩耗層１６はポリウレタン樹脂が用いられることが多い。このように一枚の膜に強度、耐環境性、耐摩耗性、ガスバリア性を持たせている。さらに軽量であること、接着性が良いこと、低温でも柔軟であり、高温でも強度を失わないことも要求されるため、船体外皮の開発には多くの経験と知識そして長い開発期間が必要である。
【０００５】
しかも、近年開発が提案されている成層圏プラットフォーム用の飛行船の概念に見られる様に太陽電池を船体表面に貼った場合、太陽電池直下の船体外皮の温度は８０℃を超えると予想される。また成層圏プラットフォームとして最適な高度である高度２０ｋｍの大気温度は−５５℃程度であり、夜間の船体外皮の温度はこの程度の温度となる。現在、船体外皮のゴア同士を接合するために用いられる接着剤は一般にポリウレタン系接着剤が使用されているが、使用可能温度範囲は−５０℃から＋５０℃までである。従って、太陽電池直下の接合部は強度を保つことができない。ポリウレタン系接着剤が現れる以前は、ゴアとゴアを縫製して接合する方法が用いられていたが、この方法ではガスバリア層に穴が開いてしまい浮揚ガスであるヘリウム遮蔽上の問題がある。
【０００６】
一方、軟式飛行船を空気密度が地上の１／１６である高度２０ｋｍまで上昇させるためには、バロネット容積を船体体積の９３％にしなければならない。図６から分かる様に通常のバロネット形状ではバロネット容積を船体体積の５０％以上に大きくすることは幾何学的に難しい。仮に大容積のバロネットを作ったとしてもそれは背の高いバロネットとなる。このような背の高いバロネットは傾きやすく、スロッシングを起こしやすい。スロッシングを起している状態を図８に示している。図のように船体１が前方に傾いたとき、弛んだ状態にあるバロネット７、９が重力によって前方に移動する。この様にスロッシングとは弛んだバロネットが前後に移動する現象であり、姿勢角安定性の低下、バロネットの寿命の減少といった問題を起こす。また一個のバロネットが大きいほどスロッシングによる重心変化量は大きくなり安定性に悪影響を及ぼす。
【０００７】
これらの問題を解決するために、例えば特許文献１では図１０に示すように船体を隔膜２０によって複数の部屋に分け、スロッシングを抑えるマルチセル方式を提案している。この案では隔膜２０の上半分はメッシュ１９となっており各部屋間でのヘリウムの移動を可能としている。またヘリウムと空気をガスバリア膜１８によって分離する。各部屋にはそれぞれブロア１１とバルブ１２が付いており、部屋ごとにヘリウム占有率を制御できる。この方法によれば隔膜によってスロッシングがある程度抑えられる上に、船体内部のほとんどの容積をバロネットとして機能させることができる。
【０００８】
しかし、この方法ではガスバリア膜の形状が複雑で製作が困難である上に、図１２に示すように隔膜２０が外皮１７と一対の当て布２１を介してＴ字に接合されているため、中立位置での隔膜に張力を与えることができない。従って図１１に示すように船体１が傾くなどして隔膜に圧力が加わり、隔膜２０が変形してはじめて隔膜に張力が加わる。したがって微小なスロッシングを抑えることができない。さらに図１２に示すように膜材のＴ字接合にはピール応力が加わり、破壊しやすいという欠点がある。また、他の方法として、ダイヤフラムを用いたものも提案されている（特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開2002-331999号公報
【特許文献２】特開2002-347697号公報
【特許文献３】特開2002-264898号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
軟式飛行船で高高度まで姿勢を制御しながら上昇するためには、浮揚ガスであるヘリウムガス等の不活性ガス（通常ヘリウムガスが用いられるので、以下ヘリウムガスで代表する）の位置と空気の位置を決定する機構が必要である。しかしながら、高度２０ｋｍで空気密度は地上での空気密度の１６分の１でしかないため、バロネットを用いた場合、バロネットの容積が９３％にまで達してしまうことから、スロッシングを抑えつつこのような大容量のバロネットを設計することは従来の飛行船の機構では不可能である。また、従来の飛行船は、外皮は、強度、耐環境性、耐磨耗性、ガスバリア性（特にヘリウムガスバリア性）を有する膜材を使用しなければならないため、隔膜等との接合構造に制限を受け、接合強度を高めるのに不利である等の問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明は、微小なスロッシングも抑えることができると共に、隔膜と外皮の接合部を強くし、且つ膜材の層構成を簡素化することができ開発が容易でしかも広い温度範囲で耐久性があり、高高度への上昇が可能な飛行船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】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の飛行船は、船体内を隔膜でヘリウム嚢を内包する多数の部屋に区切り、前記隔膜を船体外皮に対して隔膜ゴアを用いて二又状に接合して、接合部に前記外皮および前記隔膜ゴアで隔壁接合空間部を形成し、該隔壁接合空間部の圧力を前記外皮に通気孔を設けて外気と等しくすることで前記隔壁接合空間部に内外差圧を加え、前記隔膜に積極的に張力が付与されるようにしてなることを特徴とする。
【００１２】
前記外皮は、強度と空気遮蔽能力だけ付与した膜材で形成し、前記ヘリウム嚢は強度を付与せずヘリウム遮蔽能力のみを付与した膜材で形成することが望ましい。それによって、一つの膜で全ての能力を付与するようにした従来の膜材に比べて開発が容易であると共に、前記外皮のゴア同士の接合が、接着剤による接合と縫製による接合の併用により行なうことを可能とする。
【００１３】
記各部屋に収納された前記各ヘリウム嚢は、前記各部屋の天頂部に設けた一つの穴を介して船外に設けたヘリウム通気管に接続し、該ヘリウム通気管を通じてヘリウム嚢間でのヘリウムの移送によって重心の前後位置を移動させることができるように構成することが望ましい。また、前記ヘリウム嚢の形状は、特に限定されないが、多面体とするとともに、大きさを船体内部の部屋より大きくすることによって、製作が容易であると共にヘリウム嚢の形状を外皮に追従させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、隔膜に初期張力を与えることができるので、隔膜の前後方向の剛性が高まり、中立付近のスロッシングを防止することができる。また隔壁と外皮の接合部がＴ字結合でないため接合部の強度が高くなる。
請求項２記載の発明によれば、さらに外皮用膜材とヘリウム嚢膜材を別に形成したので、外皮用膜材にヘリウムバリヤ性をまたヘリウム嚢膜材には強度、耐環境性等を付与する必要がなく、一つの膜に全ての能力を付与する従来の膜材に比べて膜材の開発が容易であり、且つ安価にできる。
請求項３記載の発明によれば、さらに接着と縫製による接合が可能であるので、太陽電池直下の高温条件でも縫製による機械的な結合により結合部の強度が保たれる。
請求項４記載の発明によれば、さらにヘリウム嚢の接続部分は天頂部の穴ただ一つとなり、漏洩の危険を最小限に抑えることができる。またヘリウム嚢が独立しているため、船体内に取り付ける前に天頂部の穴を塞ぐことでヘリウム漏えい試験を行うことができ、合格品のみを選択して使用することができる。
請求項５記載の発明によれば、さらにヘリウム嚢製作時に全ての接合部が直線となり、曲線の接合部がなくなり、製作が容易になる。製作が容易になることで接合部の信頼性が向上し、ガスバリア能力が高まる。またヘリウム嚢の生じる浮力は船体外皮内面にヘリウム嚢が密着することで外皮に伝わる。この際、ヘリウム嚢が部屋よりも大きいのでどのようなヘリウム量と姿勢であっても、ヘリウム嚢は外皮の内面の形状に追従し、引張り応力を受けない。これによりヘリウム嚢に要求される強度は著しく小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を基に詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の実施形態に係る高高度飛行船の概略を示し、図１（ａ）は中高度飛行時の船体の概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の部分拡大図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（ａ）は圧力高度飛行時の船体の概略断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
本実施形態の高高度飛行船の船体４１は、図１（ａ）に示すように、その内部を隔膜２４によって複数個（本実施形態で５個）の部屋４２に分割されている。このとき外皮２２と隔膜２４は、同図（ｂ）に拡大して示すように、２枚の隔膜ゴア２５、２５を介してγ状に接合される。即ち、隔膜２４を船体外皮２２に対して２枚の隔膜ゴア２５、２５を用いて二又状に接合している。その結果、結合部には、外皮２２と２枚の隔膜ゴア２５、２５とで、両斜辺が内側に湾曲した断面三角状の隔膜接合空間部４５が形成される。そして、該隔膜接合空間部４５の圧力を大気圧力と等しくするために外皮２２に適宜の通気孔２３を設けてある。図４に、隔膜２４と隔膜ゴア２５が接合された状態を示した。ここでは分かりやすくするために外皮の図示を省き、且つ隔膜ゴア２５の大きさを誇張して描いている。このように、隔膜２４、隔膜ゴア２５、外皮２２を二又状の接合構造にすることによって、ピール荷重がかからず高い接合強度を持つ。
【００１６】
図１（ｂ）において、前方の隔膜ゴア２５の曲率半径をＲ１(m)、後方の隔膜ゴア２５の曲率半径をＲ２(m)、大気圧力をＰ０(Pa)、バロネット内圧をＰ０＋ｄＰ(Pa)とすると隔壁に加わる単位幅当たりの張力Ｔ(Ｎ／ｍ)は次式で与えられる。
Ｔ＝(Ｒ１＋Ｒ２)ｄＰ
このように初期張力Ｔを隔膜２４に与えることにより隔膜２４の前後方向の剛性が高まり、ヘリウム嚢２７のスロッシングが効果的に抑えられる。
【００１７】
各ヘリウム嚢２７は、その天頂に連通孔４６を開け、該連通孔を介して船外に設けられたヘリウム通気管２６に接続されている。それにより、重心移動の際には、ヘリウム嚢２７間で船体外に設けたヘリウム通気管２６を通じてヘリウムを移送できるようになっている。ヘリウムの移送は、各部屋に設けられたブロア１１とバルブ１２を用いて行なう。また船体内の圧力調整には各部屋のブロア１１とバルブ１２を用いる。
【００１８】
図５は前記ヘリウム嚢２７の形状を示し、（ａ）はその軸方向に直角な断面形状を示し、（ｂ）はその側面図である。同図に示すように、各ヘリウム嚢２７は、その形状が多面体に形成され、且つその大きさを隔膜で形成される船体内部の部屋４２（破線で示している）より大きく形成されている。ヘリウム嚢２７をこのように形成することによって、ヘリウム嚢製作時に全ての接合部が直線となり、曲線の接合部がなくなり、製作が容易になる。製作が容易になることで接合部の信頼性が向上し、ガスバリア能力が高まる。またヘリウム嚢の生じる浮力は船体外皮内面にヘリウム嚢が密着することで外皮に伝わる。この際、ヘリウム嚢２７が部屋よりも大きいので、どのようなヘリウム量と姿勢であっても、ヘリウム嚢は外皮２２の内面の形状に追従し、引張り応力を受けない。これによりヘリウム嚢に要求される強度は著しく小さくなる。
【００１９】
また、本実施形態の飛行船は、ヘリウム嚢を上記のように船体外皮と独立して構成してあるので、船体外皮２２の膜構造が従来のものと違って、外皮専用膜４３とヘリウム嚢専用膜４４とに分けて構成してある。本実施形態の外皮専用膜４３は、図３（ａ）に示すように、耐環境層２８、織布２９、および耐摩耗層３０からなり、ガスバリア層を含めない。これにより外皮専用膜の開発が容易になり、また縫製による接合も容易になる。前記各層を構成する材料はそれぞれ要求される機能を満たすものであればよく、特に限定されないが、例えば従来用いられているように、耐環境層２８には、ポリウレタンに酸化チタンを混入したもの、織布２９にはポリエステル繊維、耐摩耗層３０にはポリウレタン樹脂を採用することができる。また、隔膜２４は、同図（ｂ）に示す様に、耐摩耗層３０、織布２９、および耐摩耗層３０からなる。隔膜には高い強度は要求されないため外皮専用膜４３で用いられる織布２９より薄いものを用いることができる。そして、ヘリウム嚢専用膜４４は、同図（ｃ）に示す様に、エバール（登録商標）またはサラン（登録商標）等のガスバリア性の高いガスバリア層３１単体から構成されている。
【００２０】
本実施形態の高高度飛行船は、以上のような構成からなり、船体内を隔膜２４でヘリウム嚢２７を内包する多数の部屋４２に区切り、この隔膜２４と船体外皮２２との接合部を隔膜ゴア２５を用いて二又状とし、外皮および二又状の隔膜接合部がなす隔壁接合空間部４５の圧力を外皮２２に通気孔２３を設けて外気と等しくすることで二又状の隔壁接合部に内外差圧を加え、隔膜２４に積極的に張力を与ることができる。その結果、中立付近のスロッシングが解消され、マルチセル方式バロネットの容積を大きくとることが可能であり、成層圏への高高度浮揚が可能となる。
【００２１】
また、ヘリウム嚢２７を外皮２２と完全に独立して構成し、隔膜２４で区画された空間に内包されるので、外皮２２への接合に縫製してもヘリウム嚢のガスバリア性を阻害する恐れはないので、外皮の層構成を従来よりも簡略化することができ、しかも外皮に太陽電池を取り付けた場合、太陽電池直下の高温条件では従来の接着材に代えてあるいは接着材と併用して縫製により機械的に接合することができ、接合強度を確保することができる。また、ヘリウム嚢２７の接続部分は天頂部に形成された連通孔４６ただ一つであるので、ヘリウム漏洩の危険を最小限に抑えることができる。またヘリウム嚢が独立しているため、船体内に取り付ける前に天頂部の穴を塞ぐことでヘリウム漏えい試験を行うことができ、合格品のみを選択して使用することができるので、全体組立が容易であると共に組立後のヘリウム漏洩などの不良発生を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、バロネット容積を大きくとることができ、且つスロッシングを抑制することができ、しかも膜の接合強度、耐熱性に優れているので、特に成層圏に安定浮揚して滞留することができる高高度用軟式飛行船として利用可能性が高いが、高高度に限らず中・低高度飛行船としても利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る軟式飛行船を示し、（ａ）は中高度での飛行状態を示す模式図、（ｂ）はその隔膜と外皮との接合部の拡大説明図であり、（ｃ）はそのＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る軟式飛行船を示し、（ａ）は圧力高度での飛行状態を示す模式図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る軟式飛行船の膜構造を示し、（ａ）は外皮専用膜の構成を示す説明図であり、（ｂ）は隔膜専用膜の構成を示す説明図であり、（ｃ）はヘリウム嚢専用膜の構成を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る軟式飛行船の隔膜と隔膜ゴアの接合形状を示す模式斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る軟式飛行船のヘリウム嚢の形状と大きさの説明図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその側面図である。
【図６】従来の軟式飛行船の構造を示す説明図である。
【図７】従来の軟式飛行船の高度による状態変化を示す説明図であり、（ａ）は圧力高度飛行時、（ｂ）は低高度飛行時の状態を示す。
【図８】従来の軟式飛行船におけるスロッシングを示す説明図である。
【図９】従来の軟式飛行船に用いられる船体外皮の層構成を示す断面模式図である。
【図１０】特許文献１における他の従来例の軟式飛行船における高度による状態変化を示す説明図であり、（ａ）は圧力高度飛行時、（ｂ）は低高度飛行時の状態を示す。
【図１１】従来例におけるスロッシングの発生説明図である。
【図１２】従来の軟式飛行線における隔膜と外皮とのＴ字接合に加わるピール荷重の説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１  ブロア                      １２  バルブ
２２  外皮                        ２３  通気孔
２４  隔膜                        ２５  隔膜ゴア
２６  ヘリウム通気管              ２７  ヘリウム嚢
２８  耐環境膜                    ２９  織布
３０  耐摩耗層                    ３１  ガスバリア層
４１  船体                        ４２  部屋
４３  外皮専用膜                  ４４  ヘリウム嚢専用膜
４５  隔膜接合空間部              ４６  連通孔
【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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