(57)【要約】  高度で電気エネルギーを発生するための装置であって、実質的に地上レベルの位置を上昇位置のプラットフォームに接続するテザーを備え、テザーが、プラットフォームの発電機に結合された導管を備え、導管が、実質的に地上レベルの位置から上昇位置への燃料流体の流れを可能にするように配置され、発電機が、燃料流体内のエネルギーを上昇位置の電気エネルギーに変換するように動作可能である装置。
2013532608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高度で電気エネルギーを発生するための装置であって、実質的に地上レベルの位置を上昇位置のプラットフォームに接続するテザーを備え、前記テザーが、プラットフォームの発電機に結合された導管を備え、前記導管が、前記実質的に地上レベルの位置から前記上昇位置への燃料流体の流れを可能にするように配置され、前記発電機が、前記燃料流体内のエネルギーを前記上昇位置の電気エネルギーに変換するように動作可能である装置。
【請求項２】
前記上昇位置が、３００ｍ〜５，０００ｍ未満又は５，０００ｍ〜３０，０００ｍ、好ましくは１０，０００ｍ〜２５，０００ｍ、より好ましくは１５，０００ｍ〜２５，０００ｍの高度である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置が、前記上昇位置に１つ以上の気球又は飛行船を備える、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
このような１つ以上の気球又は飛行船が、０．０５〜５．０メートルトン未満、又は少なくとも５．０メートルトン、好ましくは少なくとも１０．０メートルトン、より好ましくは少なくとも２５メートルトンの揚力を提供できる、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記導管が、前記燃料流体が流れる内部円形又は円形に近い断面を有するパイプである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記燃料流体が流れる前記内径が１．５〜３０ｍｍである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記導管が、０．００００２〜０．００００５ｋｇ／ｓ未満又は０．００００５〜３．０ｋｇ／ｓ、好ましくは０．０００１〜１．０ｋｇ／ｓの流量の燃料流体を収容する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記燃料流体が、少なくとも９０重量％、より好ましくは少なくとも９９重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の水素又は炭化水素流体、あるいはさらには少なくとも９９．９９重量％の水素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記燃料流体が、２００未満、好ましくは１５０未満、より好ましくは１００未満、最も好ましくは５０未満の平均分子量を有する炭化水素流体である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記地上レベル位置における前記燃料流体の圧力を１００ＭＰａを超えて、好ましくは２００ＭＰａを超えて、より好ましくは４００ＭＰａを超えて、さらには６００ＭＰａを超えて高めるために動作可能な燃料流体加圧手段を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記燃料流体が水素を含み、かつ前記地上レベル位置における前記燃料流体の圧力を０．２〜１．０ＭＰａ未満又は１〜１００ＭＰａの圧力に高めるために動作可能な燃料流体加圧手段を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記発電機が、前記燃料流体の燃焼によって電気を発生する燃焼機関を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記発電機が燃料電池を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記発電機が、０．５〜３ｋＷ未満、又は３〜６０，０００ｋＷ、より好ましくは１００〜２０，０００ｋＷの電力を生成できる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記テザーが、強度を提供するために前記導管の外側に沿って移動する１つ以上の補強ケーブルを備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
高高度のサービスを提供するための装置であって、上昇位置にプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、テザーは円形または非円形の断面を有し、水平の風から前記テザーに揚力を提供するために前記テザーの長さに沿って間隔を空けて一連の翼又はエアロフォイルを備える装置。
【請求項１７】
前記テザーが、１．５〜２０．０の．アスペクト比を有する断面を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーの質量中心が空気力学的圧力の中心よりも前記前縁により近い断面を有する、請求項１６又は１７に記載の装置。
【請求項１９】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーが、前記前縁からの弦長の２５％未満、より好ましくは前記前縁からの前記弦長の１５〜２４％の前記テザーの質量中心を有する断面を有する、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーの張力中心が前記空気力学的圧力の中心よりも前記前縁により近い断面を有する、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーが、前記前縁からの前記弦長の２５％未満、より好ましくは前記前縁からの前記弦長の１５〜２４％の前記テザーの張力中心を有する断面を有する、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーの剪断中心が前記空気力学的圧力の中心よりも前記前縁により近い断面を有する、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
空気が前縁から後縁に前記テザーを通過して流れるとき、前記テザーが、前記前縁からの前記弦長の２５％未満、より好ましくは前記前縁からの前記弦長の１５〜２４％の前記テザーの剪断中心を有する断面を有する、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
質量、張力及び剪断の前記中心が、前記弦長の１０％未満、好ましくは５％未満の領域内にある、請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記テザーが、アクティブ制御を行うために電力供給を受けるフィンを備える、請求項１６〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記フィンが、前記エアロフォイルの部分を形成する補助翼である、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記補助翼及びエアロフォイルが、前記テザーに取り付けられたグライダーによって提供される、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記フィン又は補助翼が、それぞれの局所的な風力タービンによって電力供給を受ける、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置の特徴を含む、請求項１６〜２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
シース内に保持される、請求項１６〜２８のいずれか一項に記載の非円形断面のテザー。
【請求項３１】
前記プラットフォームが、ジャイロスコープ式及び／又は重力式安定化手段を備える、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記プラットフォームが様々な情報サービス装置を備える、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記テザーが、前記実質的に地上レベル位置から前記上昇位置に１つ以上の光ファイバーを備える、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
高度における情報サービスを提供するための装置であって、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、前記テザーが、前記実質的に地上レベルの位置の近傍の基地局に前記情報サービス装置を接続する１つ以上の光ファイバーを備え、前記基地局が電気信号によって光を変調するための手段を備え、前記情報サービス装置が光−電子変換手段及び少なくとも１つのアンテナを備え、前記装置が、前記信号が前記アンテナによって電子形態に変換されかつ送信される前記情報サービス装置に、前記変調された光を前記光ファイバーケーブルに沿って送信するように動作可能である装置。
【請求項３５】
請求項１〜３１のいずれか一項に記載の特徴を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
高度における情報サービスを提供するための装置であって、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、前記プラットフォームが、前記プラットフォームが剛性接続されないシュラウド内に収容される装置。
【請求項３７】
前記シュラウドが、気球、流線形の形状又は軽航空機であり、前記プラットフォームが前記テザーによって吊設されるが、前記テザーに対して回転できる、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
請求項１〜３３のいずれか一項に記載の装置の特徴を含む、請求項３６又は３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記テザーが、前記実質的に地上レベルの位置と前記テザーの上昇位置との間に電気接続を提供する落雷導体を備える、請求項１〜３８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
前記導管が非導電性である、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４１】
高度における情報サービスを提供するための装置であって、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、前記テザーが、前記実質的に地上レベルの位置から前記プラットフォームに電力を輸送するように動作可能である少なくとも２つの電力ケーブルを備える装置。
【請求項４２】
請求項１〜４０のいずれか一項に記載の装置の特徴を含む、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
高高度のサービスを提供するための装置であって、上昇位置にプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、前記テザーが疎水性材料で被覆される装置。
【請求項４４】
請求項１〜４０のいずれか一項に記載の特徴を含む、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
高高度のサービスを提供するための装置であって、上昇位置にプラットフォームを備え、前記プラットフォームが実質的に地上レベルの位置に繋がれ、前記テザーが、少なくとも実質的に、前記実質的に地上レベルの位置から前記プラットフォームに１つ以上の光ファイバーケーブルを備え、前記光ファイバーケーブルが、前記光ファイバーケーブルの長さに沿って離間した複数のカプラーを備え、各々のカプラーが、前記光ファイバーケーブル内の光の部分を方向転換して、前記光の部分をそれぞれの発光手段に方向付ける装置。
【請求項４６】
前記発光手段がコリメーターを備える、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記発光手段が５０ｍ〜２００ｍだけ均一に離間している、請求項４５又は４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記テザーが２０〜２００の発光手段を備える、請求項４５〜４７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４９】
請求項１〜４４のいずれか一項に記載の特徴を含む、請求項４５〜４８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５０】
前記プラットフォームが、データを受信及び／又は送信するための電磁又は光トランシーバ手段を備える、請求項１〜４９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５１】
請求項５０に記載の複数の装置を備える高高度プラットフォームの通信システム。
【請求項５２】
電気通信ネットワーク用のバックホールリンクの部分を形成する、請求項５０に記載の装置又は請求項５１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠距離通信、観測及び位置決めサービスを含む特に高度で情報サービスを供給するための高高度プラットフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば３００ｍ〜５ｋｍ未満、さらにはより高く位置する、例えば５〜３０ｋｍの高度に位置する高高度プラットフォームが多種多様な用途に提案されてきた。高まる関心の１つの領域は、高高度プラットフォームから、情報サービス、例えば遠距離通信、高速インターネットを含む位置決め及び観測能力、電子メール、テレフォニー、テレビジョンサービス、バックホールサービス、ビデオ・オン・デマンド、グローバルポジショニング、天体観測、例えばＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）による大気監視及び空中撮影を提供することにある。
【０００３】
人工衛星と比較して、高高度プラットフォームは、主に、送信機から地球上の受信機までの距離をはるかに短くできるのでいくつかの利点を有し、地球静止衛星は典型的に３６，０００ｋｍの高度にあり、低い地球軌道衛星では約１０００ｋｍの高度にある。
【０００４】
高高度プラットフォームのこの相対的な近さにより、地上及び地表の近くではるかに強い信号を受信することができ、ロケット発射の出費が回避され、開発時間が短くなる。
【０００５】
米国特許第７，０４６，９３４号は、人工衛星と関連して情報サービスを供給するための高高度気球を開示している。
【０００６】
しかし、高高度プラットフォームからの信頼性の高い情報サービスの提供には技術的な困難が多数のかつ相当伴う。重要な問題は、乱流かつ非常に高い速度であり得る風にさらされるこのようなプラットフォームの安定性を維持することである。特に、多くの情報サービスは、このような高度に存在する強風にさらされるプラットフォームから供給することが困難な正確な指向送信を必要とする。
【０００７】
さらに、高度で局所的に利用可能な電力は、数ｋＷに一般に限定され、高出力装置を含む工学上の解決方法は除外される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、これらの領域のさらなる改良が著しく望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第一の態様において、本発明は、実質的に地上レベルの位置を上昇位置のプラットフォームに接続するテザーを備える高度で電気エネルギーを発生するための装置に関し、テザーは、プラットフォームの発電機に結合された導管を備え、導管は、実質的に地上レベルの位置から上昇位置への燃料流体の流れを可能にするように配置され、発電機は、燃料流体内のエネルギーを上昇位置の電気エネルギーに変換するように動作可能である。
【００１０】
燃料流体から電力を発生することができる高高度プラットフォームを設けることにより、太陽発電機のようなインシチュ発電から利用できる電力よりも利用可能なより多くのオーダの電力を可能にできることが確認されており、インシチュ発電には、夜間蓄電の必要性及び赤道から離れた季節的な日照時間の問題がある。
【００１１】
高度で利用可能な電力が大量であれば、このようなプラットフォームに関係する様々な技術的な障害を解決するために、以前には不可能であった選択肢が利用可能になる。
【００１２】
このような装置に関する工学上の問題が重要である。しかし、装置を慎重に設計することにより、以下に説明するように、これは達成することができる。
【００１３】
多くの用途では、上昇位置は、５，０００ｍ〜３０，０００ｍ、好ましくは１０，０００ｍ〜２５，０００ｍ、より好ましくは１５，０００ｍ〜２５，０００ｍの高度である。このことにより、広域にわたる情報サービスを供給するために十分であり、一方、テザー装置に対し克服できない工学上の挑戦を提起するほど高くない高度が提供される。好ましい実施形態において、上昇位置は、横風がはるかに厳しくない、好ましくは対流圏界面上またはすぐ上の成層圏にある。さらに、上昇位置は、対流圏の用途のために３００ｍ〜５，０００ｍ未満の高度にあり得る。
【００１４】
実質的に地上レベルの位置は、典型的に、地球の地表又は海面にあるか又は非常に近く、例えば地表又は海面から１０００ｍ以内、好ましくは１００ｍ以内の高度にある。好ましい一実施形態において、装置は、テザーが結合されるヘリコプター、陸上車両又は船のような車両を備える。
【００１５】
好ましい実施形態において、装置は、それを上昇位置に維持するために必要な揚力を提供するため、上昇位置に１つ以上の気球又は飛行船（航空機よりも軽い）を備える。したがって、このような１つ以上の気球又は飛行船は、０．０５〜５．０メートルトン未満、より好ましくは少なくとも５．０メートルトン、最も好ましくは少なくとも１０．０メートルトン、おそらく少なくとも２５メートルトンの揚力を提供できることが好ましい。
【００１６】
このような揚力を提供するために、任意の気球又は飛行船は、４００ｍ３〜６０，０００ｍ３未満又は６０，０００ｍ３〜２，０００，０００ｍ３の合計容積を有することが好ましい。このような揚力は、一般に、水素又はヘリウムのような空気よりも軽いガスで気球又は飛行船を満たすことよって達成される。
【００１７】
気球又は飛行船が上昇位置にとどまることが可能な持続時間を延ばすための「トップアップガス」の源を設けるために、ヘリウムを輸送することができる第２の導管を設けてもよい。代わりに、燃料流体及び「トップアップガス」として水素が使用される場合、別の導管を加えることができる冗長性が必要でない限り、単一の導管を使用することができる。
【００１８】
このような気球又は飛行船の形状は球形であり得るが、非球形の楕円又は流線形であることが好ましい。これにより、水平方向の風の抗力の低減を補助するより空気力学的な形状が提供され、いくらかの揚力を提供し得る。
【００１９】
導管は、典型的に、燃料流体が流れる円形又は円形に近い断面を有するパイプである。
したがって、燃料流体が流れる内径は１．５〜３０ｍｍであることが好ましい。これは、燃料流体の０．００００２〜０．００００５ｋｇ／ｓ未満または０．００００５〜３．０ｋｇ／ｓ、好ましくは０．０００１５〜１．０ｋｇ／ｓの実際の流量を可能にするために十分である。
【００２０】
燃料流体が、重力に対抗してこのような長い導管を流れるために、燃料流体を導管の入口で高圧に上げなければならない。導管内の受け入れ可能な流量を達成するために、１００ＭＰａ超、好ましくは２００ＭＰａ超、より好ましくは４００ＭＰａ超、さらには６００ＭＰａ超の圧力が必要であり得る。しかし、燃料流体が水素である場合、より低い圧力が必要であり、０．２〜１未満、または１〜１００ＭＰａの圧力が適切である。高圧を達成するために、複数の圧力容器を介して燃料流体を提供することが可能である。
【００２１】
燃料流体は水素及び／又は炭化水素流体を含むことが好ましい。導管を通して流体を輸送するために必要な高圧のため、好ましくは炭化水素流体は、２００未満、好ましくは１５０未満、より好ましくは１００未満、最も好ましくは５０未満、あるいはさらには２０未満の平均分子量を有する。好ましい一実施形態では、燃料流体は、少なくとも９０重量％、より好ましくは少なくとも９９重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の水素、あるいはさらには少なくとも９９．９９重量％の水素を含む。
【００２２】
好ましい一実施形態において、発電機は、例えば高度から得られる空気との燃料流体の燃焼によって電気を発生する燃焼機関又はガスタービンを備える。他の好ましい実施態様では、発電機は、水素と、高度で得られる空気と水素との反応によって電気を発生する燃料流体として水素を消費することができる燃料電池を備える。この空気は、通常、コンプレッサを介して提供され、おそらくは高度の空気から除湿される。
【００２３】
発電機は、典型的に、数ｋＷ〜数ＭＷまで発電できる。このように、好ましくは、発電機は、０．５〜３ｋＷ未満、又は３〜６０，０００ｋＷ、より好ましくは１００〜２０，０００ｋＷ、最も好ましくは１００超〜１，０００ＫＷを発電できる。
【００２４】
導管は、広範囲の材料から製造することが可能であるが、強くかつ軽い材料、例えば、高強度炭素繊維、Ｋｅｖｌａｒ（商標）、Ｔｅｃｈｎｏｒａ（商標）、Ｖｅｃｔｒａｎ（商標）又はＴｗａｒｏｎ（商標）等のアラミド繊維で充填された合成物、及びＳｐｅｃｔｒａ（商標）及びＤｙｎｅｅｍａ（商標）等の超高分子量ポリエチレン、又はＺｙｌｏｎ（商標）等のＰＢＯが好ましい。
【００２５】
水素の搬送のため、導管は、燃料流体を運ぶために、金属又はＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリエチレンあるいは他の低透過性プラスチックのようなライナーを有する複合材パイプを備えることが可能である。この組み合わせにより、水素の拡散及び水素損失が防止される。導管に対する荷重が十分に低い場合、導管全体は、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリエチレン又は他の低透過性プラスチックから製作してもよい。
【００２６】
テザーは、強度を提供するために導管の外側に沿って移動する１つ以上の補強ケーブルを備えてもよい。このように、テザーは、装置を支持するために必要な張力に耐えるように機能し、一方、導管は、燃料流体を輸送するように機能するが、ある張力を支承してもよい。
【００２７】
さらに、このようなテザーが、導管用の垂直の強度及び圧力封じ込めを維持しつつ、水平の抗力を低減するために非円形断面を有し得ることが好ましいことが発見されている。
【００２８】
テザー上の水平抗力は、テザーをより水平の向きに移動させることがあり、このように所望の上昇位置の高度の下にプラットフォームの高度を下げるので大きい問題であり、この問題については以下に説明する。この問題は、プラットフォームがより大きい風速の領域に入った場合、悪化する可能性があり、過剰の風負荷による突発事故を招くことがある。
【００２９】
テザーの頂部において１つ以上のリフト装置によって支承された長いテザーでは、テザーの重量及び水平の風抗力は、テザー荷重の２つの主な決定要素である。テザーの頂部において、テザーの全体重量は、テザーそれ自体によって感じられ、これに対し、テザーの底部においては、支持が必要な比較的小さいテザー重量があるが、気球又は飛行船及びテザーそれ自体の風抗力が存在する。この結果、テザーは、垂直に対し最大傾斜を有し、その基部において比較的応力を受けない。しかし、テザーは、テザーの頂部で経験される最大張力に耐えるように設計されなければならない。このように、テザーは、その長さに沿って断面、組成又はその両方において変更する必要があり、これには製造の煩雑さが含まれるか、あるいは頂部以外のすべての位置で経験されるよりも大きな張力のために設計する非能率の問題がある。
【００３０】
したがって、第２の態様では、本発明は、上昇位置にプラットフォームを備える高高度のサービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、この場合、テザーは円形又は非円形断面を有し、水平の風からテザーに揚力を提供するためにその長さに沿って間隔を空けて一連の翼又はエアロフォイルを備える。
【００３１】
翼又はエアロフォイルは、典型的に、テザーの長さに沿って、かつ必要なときに揚力を提供する風に適切に整列されたときに存在する。これにより、テザーによって経験される最大張力が低減され、断面の低減を可能にする。テザーの物理的な大きさの低減により、その断面積及び関連の抗力が低減され、この結果、必要な気球又は飛行船の大きさが小さくなる。
【００３２】
非円形のテザーは、断面のアスペクト比、すなわち、ちょうど断面を含む長方形の辺の長さの比率によって特徴づけることができる。１．５〜２０．０のアスペクト比が好ましい。
【００３３】
上述のように、テザーは、これに対し十分な強さを提供するような補強ケーブルを備えることが可能である。好ましい一実施形態では、テザーは１つを超えるケーブルを備え、その各々は互いに平行である。このようにして、円形断面を有するケーブルは、非円形断面を有する本発明によるテザーを製造することができる。細長い断面のテザーを製造するために他のケーブルと整列することが可能な別のケーブルを含めることができる。例えば、１から１０のケーブルを備えるテザーが好ましい。
【００３４】
当該技術分野で周知のように、円形断面のテザーは、テザー内の任意の捻れ作用に関わらず同一の面積を空気に対して常に示すであろう。しかし、非円形断面を有するテザーは、テザーの回転状態に従って流れる空気に対して可変の面積を露出する可能性を有する。
【００３５】
しかし、長い非円形断面のテザーに関する問題の１つは、流れる空気に対してテザーの最小の面積を露出するよりもむしろ、テザーの最大の面積を露出する傾向があることである。この理由は、このような長いテザーが一般に低いねじれ剛性を有し、流れる空気内でテザー自体を最小の歪みエネルギーと整列し、これによって、例えば翼によって規則的に配向されない限り、長軸を流れ方向に対して直角に置くからである。
【００３６】
したがって、増大する面積を示すテザーの自然な傾向は、流れる空気のためテザーに対する力を増大することができる。したがって、非円形断面のテザーが、流れる空気に対して最小の面積を露出する傾向があることを確実にするための手段を講じることが望ましい。
【００３７】
今や、驚くべきことに、このような非円形断面のテザーは、テザーが低いねじれ剛性を有し得るが、流れる空気に対してテザーの最小の面積を露出できるように製造できることが確認されている。
【００３８】
したがって、このようなテザーの断面は、典型的には細長く、細長い断面に対して２つの明確に規定された端部を有する。これらの２つの端部は、それぞれ前縁及び後縁と称することができる。前縁は、典型的に丸くされ、テザーの上方に流れる空気の最上流の点にあるように意図される。同様に、後縁は流れる空気の最下流の点にあるように意図される。所定の断面のテザーの最上流の点からテザー上の最下流の点までの距離は、当該断面のテザーの弦長と称される。
【００３９】
空気がこのようなテザーの上方に流れるとき、空気がテザー上に力を生成する。随時、テザーの断面内に概念上の点があり、この点を中心に、このような力によって誘発されたすべてのモーメントが互いに相殺される。このような点は、本明細書で、空気力学的圧力の中心と称される。
【００４０】
テザーの長さのため、テザーは一般に低いねじれ剛性を有する。所定の断面におけるテザーの質量中心が空気力学的圧力の中心よりもテザーの前縁により近い場合、テザーは、貯蔵された歪みエネルギーが最小でない場合でも、流れる空気に対してテザーの最小の面積を露出するときに局所的に安定した配置を見つけること可能であるが確認されている。
【００４１】
言い換えれば、質量中心は、使用中の空気力学的圧力の中心であるよりも前縁に近いことが好ましい。
【００４２】
典型的に、流れる空気に対しテザーの最小の面積を露出するように近くへ位置決めされたテザーの細長い断面のため、空気力学的圧力の中心は前縁からの弦長の４分の１に近いことが当てはまる。したがって、質量中心が空気力学的圧力の中心よりも前縁により近いことを確実にするために、特別な措置をとる必要がある。
【００４３】
例えば、テザー断面の形状は、例えばヘリコプターロータの断面と同様の涙滴の形状であることが好ましい。しかし、このことのみでは、質量中心が前縁に十分に近いことが保証されない。したがって、典型的に、テザーの材料密度は、中心及び後縁に近い材料密度よりも前縁の近くでより大きい。
【００４４】
材料密度のこのような変化は、漸次的であっても突然であってもよい。材料密度は、光ファイバー及び補強ケーブルのような他の材料がテザーを通過する不連続部および不均質部を含んでもよい。しかし、材料密度の任意の変化は、形状の変化と共に、テザー内で適切に位置決めされる質量中心を共に提供する必要がある。
【００４５】
したがって、好ましくは、テザーの質量中心は前縁からの弦長の２５％未満である。より好ましくは、その質量中心は前縁からの弦長の２４％未満である。典型的に、その質量中心は、前縁からの弦長の１０％〜２４％、より好ましくは１５％〜２４％である。
【００４６】
当然、テザーが実質的に地上レベルの位置をプラットフォームに接続するとき、テザーは張力を支承する。張力中心が使用中の空気力学的圧力の中心よりも前縁により近い場合、テザー安定性の改善を達成できることが確認されている。
【００４７】
張力中心が空気力学的圧力の中心の下流にある場合、長手方向軸線が任意の風に対して大きい角度で傾くように、テザーが捻れやすい場合があることが確認されている。このプロセスが始まると、テザーの長さのますます大部分がこの姿勢をとり、テザーが風に向けられる場合よりも高い風負荷をもたらす可能性がある。
【００４８】
張力中心は、テザー断面内のその点であり、この点を中心に、当該の断面のテザーによって支承される張力（断面の平面に対して垂直に方向付けられる）によって確立されたすべてのモーメントは、合計してゼロとなる。
【００４９】
したがって、好ましくは、テザーの張力中心は前縁からの弦長の２５％未満である。より好ましくは、その張力中心は前縁からの弦長の２４％未満である。典型的に、その張力中心は、前縁からの弦長の１０％〜２４％、より好ましくは１５〜２４％である。
【００５０】
驚くべきことに、剪断中心が使用中の空気力学的圧力の中心よりも前縁により近い場合、テザー安定性の改善を達成できることが確認されている。
【００５１】
剪断中心は、テザー断面内の点であり、この点を通して、概念上の力が断面の平面に加えられる場合、テザーに回転動作は引き起こされない。言い換えれば、加えられた力は、テザーの回転なしにテザーの純粋な偏向をもたらす。
【００５２】
したがって、好ましくは、テザーの剪断中心は前縁からの弦長の２５％未満である。より好ましくは、その剪断中心は前縁からの弦長の２４％未満である。典型的に、その剪断中心は、前縁からの弦長の１０％〜２４％、より好ましくは１５〜２４％である。
【００５３】
同様に、空気力学的圧力の中心よりも前縁のより近くに留まる一方で、質量、張力及び剪断の中心が互いに近接することが最適に望ましい場合があることが確認されている。このように、質量、張力及び剪断の中心は、弦長の１０％未満、好ましくは５％未満の領域内にあることが好ましい。時には、これらの中心の１つ又は２つは、空気力学的圧力の中心よりも前縁からより遠くにあり得るが、低い抗力を有する力学的に安定したシステムが達成された場合、３つのすべてが遠くになくてもよいことが可能である。
【００５４】
テザーはまた、アクティブ制御を行うために電力供給を受けることが可能なフィンを備えてもよい。このようなフィンは、エアロフォイルの部分を形成する補助翼でもよい。
【００５５】
好ましい一実施形態において、エアロフォイル及び補助翼は、テザーに取り付けられ、したがって間隔を空けた複数のグライダー（電力供給を受けないフライト用に意図された空気よりも重い航空機）によって提供される。好ましい実施形態において、グライダーはテザーに可動に取り付けられる。グライダー及びそれらの補助翼の運動は、例えば典型的に可変ピッチ、可変速度設計の風力タービンから局所的に発生される電力によって提供することができる。テザーへのグライダーの取付けは、例えばテザーが繰り出されるか又は回収されるときに、脱着の準備を容易にするために取外し可能であり得る。
【００５６】
代わりに又は追加して、テザーは、導管の長さに沿って配置された複数のフラグを備えてもよい。このようなフラグは、非円形断面のテザーのフラッタを防止することが確認されている。
【００５７】
非球形断面のテザーは相当の利点を提供するが、装置が高度で展開される前後にテザーを貯蔵するときに困難をもたらす。
【００５８】
円形断面のテザーは、それ自体に簡単に巻き取ることができ、これに対し、非球形のテザーは、あらゆる巻取り又は変形を限定するか制限する、細長い領域を備えることが可能である。さらに、この問題が解決されない限り、いかなる細長い領域でも容易に破損する可能性がある。
【００５９】
したがって、第３の態様では、本発明は、本明細書に記載したような非円形断面のテザーに関し、このテザーは、テザー用の開口部をテザー断面に有するシース内に保持される。シースのテザーはこのように巻き取るか又は積み重ねることが可能である。
【００６０】
シースは、細長いシースとして設けてもよく、あるいは、例えば、シャンクの外側にねじ山の外観を有する他の物体の表面に設けることができるであろう。次に、テザーは、シャンクの周りに巻かれ、ねじ山によって設けられるそのシースに入ることができる。
【００６１】
上述のように、このように多くの電力が利用可能な状態で、以前に利用可能でなかった情報サービスの性能を強化するための選択肢が可能になる。
【００６２】
例えば、好ましい実施形態において、装置は、ジャイロスコープ式及び／又は重力式安定化手段を備える。このような装置は、大気中の多少とも固定姿勢を維持するように働くことができる。この装置により、装置から大気を通して地球の表面の近くに、このような他の装置又は人工衛星に方向付けられた送受信が可能になる。このような安定化手段なしには、装置の運動により指向性の送信がより困難になるであろう。
【００６３】
プラットフォーム、おそらくはテザーにおいて利用可能な電力の増大により、高電力供給の電気通信信号を地球に、このような他の装置又は人工衛星に送信することができる。これにより、いくつかの利点を提供することができる。例えば、信号は、建物を貫通できるか又はある地下施設内に貫通できる。他の利益は、より便利で、おそらくは携帯型であるより小さいアンテナで、機器が作動可能であり得ることである。
【００６４】
このように、プラットフォームは典型的に情報サービス装置を備える。例えば、装置は、地球の表面に電気通信サービスを供給するための電磁気送信機及び／又は受信機を備えてもよい。
【００６５】
好ましい実施形態では、テザーはまた、上昇位置の送信機／受信機に高位ビットレートを送信及び受信するために、実質的に地上レベルの位置から上昇位置に光ファイバーケーブル（または１つ以上の光ファイバー）を備える。実質的に地上レベルの位置から、光ファイバーは、光ファイバーによって地上の通信センタに連結することができる。実質的に地上レベルの位置が船である場合、海中を大陸からブイに移動するように、光ファイバー又は他の手段によって船に接続された光ファイバーケーブル（または１つ以上の光ファイバー）を配置することが望ましい。船へのおよび船からの通信は、次に海底光ファイバーケーブルを介して光ファイバーによって送信することができる。代わりに、プラットフォームから地上レベルの受信機への及び受信機からの直接のマイクロ波送信、あるいは地上レベルのテザー位置への及びその近くからのマイクロ波送信を使用することができる。
【００６６】
好ましい実施形態では、装置は光ファイバー無線技術を使用する。
したがって、第４の態様では、本発明は、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備える高度における情報サービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、テザーは、実質的に地上レベルの位置の近傍の基地局に情報サービス装置を接続する光ファイバーケーブル（または１つ以上の光ファイバー）を備え、この場合、基地局は電気信号によって光を変調するための手段を備え、情報サービス装置は光−電子変換手段及び少なくとも１つのアンテナを備え、装置は、信号がアンテナによって電子形態に変換されかつ送信される情報サービス装置に、変調された光を光ファイバーケーブルに沿って送信するように動作可能である。マイクロ波信号がプラットフォーム受信機によって受信され、また光を変調するために使用される電気信号が、テザーベースで電気信号に変換するためにテザーの光ファイバーケーブルの下方に送信される、２方向システムも可能である。
【００６７】
典型的に、無線信号は、例えば数ＧＨｚの周波数の無線信号である。
光ファイバー無線は、プラットフォームへの送信における信号の減衰が非常に低く、また情報処理装置の大部分を基地局に配置することができ、したがってプラットフォームの重量が低減されるので特に有利である。追加の利点は、高度において装置を変更することなくプラットフォームが提供できるサービスタイプを開発できることである。
【００６８】
したがって、典型的に、変調機能及びスイッチング機能を基地局において実施することができる。周波数アップコンバージョン及び多重送信のような他の機能も、基地局において実行することができる。このように、情報サービス装置の中には、プラットフォームにオプトエレクトロニクス及び増幅機能のみを必要とするものがある。
【００６９】
同様に、多くの用途では、高度における任意の装置の並進運動は回転運動よりもはるかに問題が小さいことが考えられる。大きい距離の通信では、方向付けられた送信方向の小さい変化も、地球への及び地球からの送信又は受信が相当目標から離れるという結果になる。しかし、方向を狭い限度内で固定できる場合、ある場合には、並進運動により目標からの比較的小さい偏差がもたらされるに過ぎない。このように、回転運動よりも容易に、風による並進運動に耐えることができることが確認されている。垂直軸線の周りのプラットフォーム角速度の統制は、地上ステーションによる１つのセルから他のセルへの「ハンドオーバ」を最大速度で受け入れることができる多数のセルに関係する用途では重要である。
【００７０】
したがって、第５の態様では、本発明は、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備える高度における情報サービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、この場合、プラットフォームはそれが剛性接続されないシュラウド内に収容される。典型的に、プラットフォームは、テザーに対して相対的に自由な回転を可能にする軸受装置によってテザーに接続される。
【００７１】
プラットフォームは、シュラウド内に配置されることによって強風から保護されることが確認されている。さらに、プラットフォームはシュラウド又はテザーに剛性接続されないので、シュラウド又はテザーによって経験される回転運動はいずれもプラットフォームに伝達されない。したがって、シュラウドはプラットフォームを風から遮蔽し、ある量の休止空気又はガスを提供し、この中にプラットフォームが取り付けられる。したがって、シュラウドの並進運動をプラットフォームへ伝達することができるが、回転運動はほとんど伝達されないか又はまったく伝達されず、方向付けられた情報サービスが相当改善される。
【００７２】
好ましい実施形態において、シュラウドは気球又は飛行船であり、プラットフォームはテザーによって吊設されることができるが、テザーに対してすべての軸線を中心に回転可能である。例えば、シュラウドは、プラットフォームに揚力を提供するより大きい気球又は飛行船の下に吊設される気球又は飛行船でもよい。
【００７３】
さらに、シュラウドの利点は、上述のように、ジャイロスコープ式及び／又は重力式安定化手段と組み合わされる場合、さらにかつ相当高められる。このような実施形態において、非常に安定した姿勢を達成することができ、方向付けられた情報サービスの相当の向上を提供する。さらに、ある場合には、シュラウドは気球又は飛行船それ自体であることができる。
【００７４】
シュラウドが経験するあらゆる抗力を低減するためにシュラウドが流線形である場合、同様に有益である。
【００７５】
シュラウド保護の実施形態が上述の本発明の燃料流体の態様と組み合わされる場合、さらに望ましい。
【００７６】
同様に、本発明によるテザーとプラットフォームは落雷の影響を受けやすい可能性がある。このような落雷は、燃料流体がテザーの導管を通過する場合、特に非常に危険であり得る。したがって、好ましくは、導管は非導電性である。このことは、例えば、テザーの任意の金属構成要素が、例えば質量中心の位置を変更するためにしばしば遮断され、かつ隣接する端部が、任意の電気経路を破壊するために、互いに、例えば数メートルごとに絶縁されることによって達成することができる。代わりに、導管には、本質的に導電性要素がないことも可能である。
【００７７】
導管は好ましくは非導電性であるが、テザーそれ自体も非導電性であり得るか、代わりに、実質的に地上レベルの位置をプラットフォームに電気的に接続する落雷用導体を備えてもよい。このように、任意の落雷は導体によって運ばれ、非導電性の導管に影響を及ぼさないであろう。
【００７８】
第６の態様では、本発明は、上昇位置に情報サービス装置を備えるプラットフォームを備える高度における情報サービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、この場合、テザーは、地上レベル位置からプラットフォームに電力を輸送するように動作可能である少なくとも２つの電力ケーブルを備える。
【００７９】
この実施形態では、テザーが非導電性であることを確実にすることは不可能である。したがって、好ましくは、テザーはまた、実質的に地上レベルの位置をプラットフォームに電気的に接続する落雷用導体を備える。一実施形態では、落雷用導体は、非絶縁形態の電力ケーブルの１つでもよい。このように、落雷を防止し得ないが、落雷の影響は、テザーの導電性経路を設けることによって大幅に最小化することができる。
【００８０】
例えば、落雷用導体は、好ましくは１００〜４００ｍｍ２の断面積を有するアルミニウムストリップ又は他の導電材料を備えてもよい。
【００８１】
１つ又は複数の電源ケーブルが絶縁されることも好ましい。３．３ｋＶ〜３３０ｋＶの高電圧ケーブルが適切であることが確認されている。
【００８２】
同様に、水がテザーの外側に導電性経路を形成し得るという危険性があることが確認されている。したがって、テザーが非導電性である場合、水がそれにもかかわらず導電性経路を提供する可能性があり、落雷の問題が残る。
【００８３】
したがって、第７の態様では、本発明は、上昇位置にプラットフォームを備える高高度のサービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、この場合、テザーは疎水性材料で被覆される。
【００８４】
このように、任意の液体がテザーの表面に形成する場合、液体は一般に連続的な経路を形成せず、したがって、電気経路の形成の可能性を防止する。さらに、テザー表面の疎水性被覆により、テザー上の氷の形成を防止することができる。このような氷は、特に非円形テザーの場合に空気力学的な不安定性を促進する可能性がある。
【００８５】
テザーが、損傷についてテザーを検査し、おそらくは小さな修理を施しかつ除氷の能力を提供するように動作可能な可動車両を備える場合も好ましい。
【００８６】
このような高高度プラットフォームは一般に人口地域の近傍に配置されるので、航空機の安全性及び規制に対する考慮も行われなければならない。このような安全上の考慮の１つは、テザーが、テザーの存在について飛行機パイロットに警告するために、連続的に又は断続的に動作し得る多数の照明を収容するようを求めることである。
【００８７】
しかし、テザーの長さに沿って照明を提供し、十分な電力を提供することは、一般に回避されるべき相当の重量増加を伴うことがある。したがって、相当の追加重量なしにこのような照明を提供できるシステムが著しく望ましいであろう。
【００８８】
したがって、第８の態様では、本発明は、上昇位置にプラットフォームを備える高高度のサービスを提供するための装置に関し、プラットフォームは実質的に地上レベルの位置に繋がれ、この場合、テザーは、少なくとも実質的に、実質的に地上レベルの位置からプラットフォームに光ファイバーケーブルを備え、光ファイバーケーブルは、光ファイバーケーブルの長さに沿って離間した複数のカプラーを備え、各々のカプラーは、光ファイバーケーブル内の光の部分を方向転換して、光の部分をそれぞれの発光手段に方向付ける。
【００８９】
典型的に、発光手段はコリメーターを備え、例えば、１つ以上のレンズ、いくつかのミラー又は回折格子（従来又はホログラフィック）を備えることが可能である。
【００９０】
光ファイバーケーブルに沿って送信される光は、それぞれの発光手段に閃光効果を提供するために好ましくは断続的である。
【００９１】
好ましい実施形態では、発光手段は均一に離間している。発光手段の間の間隔は５０〜２００ｍであり得る。
【００９２】
したがって、このようなテザーは、２０〜２００のこのような発光手段を備えることが可能である。したがって、各々のカプラーによって方向転換される光量は、当該の点の光ファイバー内の光の０．５〜５．０％の範囲にあることが好ましい。
【００９３】
この実施形態の光ファイバーは、典型的に、本発明の他の態様による情報サービス装置に使用するための光学信号を搬送するために使用される離間した光ファイバーである。
【００９４】
このような装置は、低重量、コンパクトであり、追加の風抵抗をほとんど示すことができず、局所的な電力需要を含まず、したがって、必要とする装置を簡略化する。
【００９５】
本明細書に開示した特徴はいずれも、本発明による実施形態を提供するために他の任意の特徴と組み合わせることが可能である。
【００９６】
理解し得るように、本明細書に記載した装置は、高高度プラットフォームが望ましいであろう多種多様な技術分野に使用することができる。
【００９７】
次に、本発明について、一例として、及び図を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】本発明による装置に使用するためのテザーの断面平面図である。
【図３（ａ）−（ｂ）】本発明による装置に使用するための２つのテザーの断面の断面平面図である。
【図４（ａ）−（ｆ）】テザーの長さに沿ってテザーに揚力を提供するためのグライダーの様々な図面である。
【図５（ａ）−（ｈ）】本発明による装置に使用するためのテザーの部分の様々な図面である。
【図６（ａ）−（ｂ）】シースに入れられた本発明による装置に使用するためのテザーの断面図である。
【図７（ａ）−（ｃ）】他のシースに入れられた本発明による装置に使用するためのテザーの断面図である。
【図８（ａ）−（ｂ）】本発明による装置の図面である。
【図９】本発明による装置の要素の概略図である。
【図１０】本発明によるテザーの断面図である。
【図１１】本発明による別の装置の概略図である。
【図１２】本発明によるテザーに使用するための発光手段の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００９９】
図を参照すると、図１は、気球３によって支持されテザー２に取り付けられている高高度プラットフォーム４を備える本発明による装置を示している。テザーは、地上レベル位置である海面に配置された船１に取り付けられる。
【０１００】
プラットフォーム４は、燃料電池の形態の発電機を備えるが、燃料電池は、ガスエンジン又はタービン、ジェットエンジン又はディーゼルエンジン等であることができるであろう。
【０１０１】
プラットフォーム４はまた、様々な情報サービス装置、例えば内部アンテナ、ワイヤレスインターネット用のマルチネットワーク、１〜１００ｋｍの直径の移動電話又はＷｉＭａｘセルを供給するための７００ホーンアンテナ、マイクロ波バックホールアンテナ、テレビジョン送信機、位置決めシステム送信機、航空機警報システム、例えばレーダ反射器及び光ストロボを備える。プラットフォーム４はまた、天体観測用の１つ以上の望遠鏡、空中撮影用の１つ以上のカメラ又は大気監視用のＬＩＤＡＲ装置、ならびに電磁放射用の他の受信機を備えることが可能である。
【０１０２】
テザー２は、ＰＴＦＥライナーを有する複合材料から製造された１５ｍｍの外径及び１２ｍｍの内径を有するＫｅｖｌａｒ（商標）パイプを備える。パイプは、テザーに非円形断面を提供するために１５ｍｍの直径の４つの追加のＫｅｖｌａｒ（商標）ケーブルによって補強されるが、テザーの質量、張力及びねじれの中心は共に密接し、適切な尾部装置（図２参照）による四分の一の弦点の上流にある。
【０１０３】
気球３は、１５８ｍの水平直径及び４６ｍの垂直高さを有する楕円形状の６００，０００立方メートルの容量であり、８メートルトンの重さのプラットフォーム４を支持するためにヘリウムで充填される。
【０１０４】
船１は、水素の貯蔵装置、及び選択的に水素発生プラントを備え、水素がテザーをプラットフォーム４に上方に流すことができるように、２つの高圧コンプレッサ（図示せず）によって３５０バールの圧力に水素を加圧することができる。水素がプラットフォームに達すると、水素は燃料電池に通過し、その結果、電気エネルギーが高度に発生される。生成された電気エネルギーは、典型的に１０〜１０，０００ｋＷ、例えば５００ｋＷであり、情報サービス装置に使用するための高強度の信号を提供するためには十分過ぎる。
【０１０５】
図２は、図１に使用されたテザー２の部分断面図を示している。テザー２は、燃料流体、例えば水素を運ぶ導管６を備える。テザーは、複合材料の壁部８によって強化される。
【０１０６】
同様に、燃料流体を運ばないが、テザーに強さを付与する４つの強化ケーブル１０が設けられる。同様に、尾部１２と、リング又はアクチュエータ１６によって尾部１２に取り付けられたフィン部分１４が設けられる。テザーは、テザー２の完全性を維持するためにスキン１８によって取り囲まれる。断面の細長い性質は、大きい横風によって誘発される水平抗力を低減するように補助する。アクチュエータ１６は、不利なテザー運動を防止するためにアクティブ制御を行うように動作可能であり得る。ケーブル１０の間の空間の形状は、例えば低密度フォームを挿入することによって又は非円形のケーブルを使用することによって、ケーブルの間の刻み目をより小さくするか又はなくすために改変することが可能である。このような構成により、空気力学的な性能を高め、抗力を低下させることができる。
【０１０７】
図３（ａ）と（ｂ）は、本発明に使用するための代わりのテザー２０ａ又は２０ｂの部分の断面を示している。２つのテザーは僅かに異なる断面を有し、２０ａの場合、製造がより容易なテザーを可能にし、２０ｂの場合、優れた空気力学的性能及びより低い風抗力を有するテザーを可能にする点で互いに区別される。
【０１０８】
テザー２０ａと２０ｂの両方は、ナイロンシース２１と、水素導管２８と、最大３００Ｂａｒの水素の高い内圧を保持するための薄い低い水素拡散率の壁部２７との複合材であることができる高強度の材料から製造されるテンション部材２２を備える。光ファイバーケーブルの束２５と２６は、通信リンクを提供し、高密度鋼又は他のケーブル２３は、テザーシステムをバランスさせるための重量を提供して、質量中心が空気力学的な揚力中心に近接しているか又は好ましくは上流側にあることを保証する。テザーは、おそらくはアラミド繊維によって補強された疎水性被覆（ポリエチレン、又は同様の材料）を有するプラスチックシース２４によって包囲され、アラミド繊維は、ねじれ中心が質量中心及び空気力学的揚力の中心の近くにあることを保証するように固定されかつ離間されている。鋼製ケーブル２３は、導電性経路を設けるために又は設けないために連続的でもよくあるいは連続的でなくてもよい。鋼製ケーブルを通して導電性経路が設けられる場合、シース２１と２４の通常の穿孔を行うことができ、落雷に対するある保護を付与する電荷充電を保証するために小さな放電ワイヤを接続することができる。
【０１０９】
空間２９は、必要な強さ及び軽さを提供して、風荷重又は張力を受けるときにシース２４の変形を防止するために、約８０ｋｇ／ｍ３の密度及び少なくとも５ｂａｒの圧潰強度のポリウレタンフォームのような低密度材料又は交差状ストラットで充填され、巻き付けられて、保管されるときに誘発される応力に耐えるための必要なねじれ及び疲労抵抗性、質量分布及び堅牢性を有する。
【０１１０】
図４は、中間の高さでテザーを支持するための「グライダー装置」の図面を示している。飛行船に連結されたテザーを支持する１５の「グライダー」（縮尺通りでない）が図４（ａ）に示されており、飛行船の内側には非常に高い高度のプラットフォームがある。
【０１１１】
図４（ｂ）はグライダーの１つの拡大図を示している。図４（ｃ）、４（ｄ）と４（ｅ）は、それぞれ側面図、平面図及び立面図を示しており、立面図は、テザー経路及び尾部平面の配置を示すために僅かに傾けたグライダーを示している。図４（ｆ）は、グライダーとテザーとの間の可能なリンク装置の立面斜視図をより詳しく示している。
【０１１２】
グライダーは、航空機のストロボ警告照明及び中間高度のサービスならびにレーダ反射器及びトランスポンダ用の電力を可能にするために、風力発電機及び太陽電池に接続された再充電可能なバッテリを組み込むことが可能である。グライダーの局所のテザーの歪みを測定して、応力を推定するための方法は、他のシステム入力、例えばグローバルポジショニングシステムの入力及び慣性の測定と共に、グライダー制御システムに組み込み、送ることが可能である。制御システムは、グライダー揚力を変更して、テザーの設計応力を越えることなく可能な限り最も急勾配のテザーを可能にすることができる。
【０１１３】
グライダーは、異なる高度における非常に異なる風状態に適切に対処するために異なるサイズであり、テザーの下方に異なる間隔を有する。例えば、５８ｍの直径の気球の揚力を増大させる２０ｋｍの高度のプラットフォームシステムに揚力を提供する１５個のグライダー支持体を有するテザーの設計は、７ｋｍ〜１３ｋｍのジェット気流高度においてグライダー当たり４平方メートルの翼部面積のグライダーを有することが可能であるが、１９ｋｍにおいてこのサイズの最大８倍であるか、あるいは１．５ｋｍにおいてこのサイズの３倍である。「グライダー」設計の１つの態様は、テザーの近くに質量中心及び揚力中心を有しなければならないが、質量中心はテザー取付点の僅かに後方にある。図４（ｂ）は、テザーがグライダーを通るときのグライダーの上方のテザー３１の誇張した角度変化を示している。グライダーは揚力を提供し、下部テザー３２において上部テザー３１におけるよりも高い張力を付与する。これにより、一定の断面のテザーが可能になり、グライダーの抗力に対する揚力の高い比率を利用してテザー張力のより小さい変化が可能になる。
【０１１４】
図４（ｃ）は横方向立面図を示している。テザーシースは、グライダーとテザーとの間の取付け機構の細部に応じて、ここに示したように連続的でなくてもよいか、あるいは図４（ｆ）に示したように連続的でもよい。望ましいケーブル製造長さに応じて、あるいは中間のサービスが必要な場合、様々なケーブルは、光ファイバー束３９、グライダー３０の下方及び可能な分岐部の後の４０の上方に示した水素供給ライン、及びグライダーの下方のテンション部材３０１及びグライダーの上方の４１用の接合部を有することができる。水素ラインに分岐部がある場合、グライダーのために代わりの燃料電池の電力を利用することができる。細い先細りの翼３３は、高い風速で低い抗力に対して高い揚力を提供する。通常、気球又は軽航空機は、停滞した空気状態におけるテザー、ペイロード及びすべてのグライダーを支持するために、十分な揚力能力を有するであろう。その場所が、比較的風のない日々の頻度が非常に低い場所であった場合、グライダー又は上昇させた凧のような他のリフト面からのある揚力寄与に、依存が行われる状態を予想することが可能である。
【０１１５】
質量中心がテザー取付点の後方にある場合、尾部が垂れず、テザーと絡み合うリスクを冒さないことを保証するために、２次テザー（図示せず）が、胴体３４の後部及び主なテザー取付点の上方のどこかの取付点に取り付けられる。質量中心がテザー取付点の前にある場合、追加のテザーはグライダーの下方にある必要がある。可変ピッチ及び半径１ｍ未満の速度のプロペラ４３は、発電機を有するグライダーの後部に通常取り付けられ、電力を供給し、シャフト４２によってグライダーに接続される。関連する航空交通規則に記載されているような、典型的に尾部及び翼の航空機ストロボライト（図示せず）は、通常１００ワット未満であり、数日から数週間の蓄電を有する再充電可能バッテリから供給される。補助翼３８及び尾部エアロフォイル３５を有する尾部フィン３７は、まったく従来のものであり、安定性と制御を提供する。尾部組立体は示した通りであることができるか、あるいはエアロフォイルは胴体レベルにあるかその下方にあることができる。
【０１１６】
図４（ｄ）では、平面図は、胴体のスパー３０４の間に挟み込まれたテザーを示している。これらは、急速固定及びテザーの上下の車両の移動を可能にするように設計することができる。グライダーの空気力学的揚力の中心は、長さ４４と４５の間に示されている。補助翼３０２、３０３と３６は、傾斜及び揚力の制御を行う。図４（ｅ）では、正面図は、僅かに傾斜されたグライダー及び尾部面３５と垂直ストラット３７の配置を示している。
【０１１７】
図４（ｆ）は、グライダーへのテザーの取付けの詳細を示している。３０５は、テザーの強力なテンション部材３０１をクランプするクランプ装置であり、継手３０６は、テザーに対して垂直の水平軸線の周りの回転を可能にし、継手３０７は、テザーに対して、より平行に近い軸線の周りにある程度の回転を可能にする。
【０１１８】
図５（ａ）と（ｂ）は、横風５０にあるテザーに位置するリフト装置５２を有するテザー５１を示している。これらのリフト装置は、代替装置として又はグライダーとして使用することができる。（ａ）では、横風は非常に緩やかであり、テザーは多少とも垂直である。（ｂ）では、横風が強く、垂直に対して認識可能な角度５０６にテザーを傾ける。リフト装置は、テザーの過度の応力を回避して、「ブローオーバ」を防止するために、抗力に対する揚力の高い比率を有することが望ましい。この関連で、セクション５３は、個々のリフト要素間の圧力差によって誘発される「２次流れ」が小さく維持されるように、昇降要素５２の先端部に配置されることが望ましい。リフト要素の前縁は、驚くべきことに、テザーが強い風を受けるときに前縁のアタック角度があまりにも鋭くないことを保証するために流れ方向に上昇するべきであり、さもなければ、リフト要素は失速し、揚力損失及びブローオーバをもたらす。
【０１１９】
図５（ｃ）〜（ｆ）は、異なる種類のリフト装置（５７、５８、５９と６０）を示している。リフト装置のすべては、設計風速度プロファイル及び関連のテザー角度において最大揚力を付与するように設計される。図５（ｇ）は、多数の小さな溝及び突出部がテザー５１の表面に作製される異なる種類のリフト装置を示している。図５（ｈ）は、５（ｇ）に示したテザー（Ａ−Ａ）の拡大細部による断面図を示している。小さな突出部の前縁は、テザーの限界設計条件が設計風速において垂直に対して３０度のキャンバである場合、水平５０１に対して緩やかな角度、典型的に約１０度である。同様に、角度５０２は、抗力に対する揚力の優れた比率を保証するために約５〜１０度であろう。突起部５０３及び中空５０４は、それらがエアロフォイル（典型的に０．１〜０．５ｍｍ）の境界の層厚と比較して相当の長さを有し、２次流れが主要な問題であることを回避するために十分な深さがあるように、十分に大きいことが必要である。２２は、シース２１及びエアロフォイルシース２４を有するテンション部材を示している。５０５は、５０３と５０４の構造体を支持するエアロフォイルに取り付けられたストリップを示している。
【０１２０】
図６（ａ）は、図３ａに示したのと同様の空気力学的なテザー６３用の可能な保護シース６１の細部を示している。空気力学的なテザーが、例えば実質的に地上レベルの位置に保管されるとき、２つの主な組の選択肢が存在し、テザーをドラムに巻き取るか、あるいは容器に又はデッキに配置することができる。両方の選択肢では、それほど強力でない尾部セクションが、エアロフォイルの前部の非常に強力かつ比較的重い引張り部材に存在する重量及び張力によって損傷する可能性がある。このような可能性から守るために、保護シース６１を巻取りの前にテザーの上に敷設することができる。テザーの尾部が他のテザーシースの最大侵入を表すライン６４を横切らないように、テザーが十分に構成された内側管路６２に完全に入ることが「促進される」場合、テザーがよく保護される。このような「促進」は、内側管路６２の壁部を完全に平行でなく、管路６２の深さにおけるよりも入口６４の近くで互いにより近接して配置することによってもたらされることができ、また巻取りの間に鈍い強力なテザー断面が入口を強制できるが、次に抑制される。保護シースがテザーの全長のために使用される場合、テザーが繰り出されるときに、テザーから取り除かれるシースそれ自体が、テザーが回収されるときに使用する前に巻き取られるか又は保管されるように、追加のコイル又はデッキ装置を設ける必要がある。
【０１２１】
図６（ｂ）は、ドラムの又はテザーのもろい尾部セクションが保護される容器の基部に付設された保護されたテザーの断面を示している。
【０１２２】
図７は、図６に記載した円形配置よりも小さい体積を占める長方形の保護シースの配置を示しているが、図７（ｂ）と７（ｃ）に記載した配向で正しく積み重ねることがより困難である。図７（ａ）では、シース７１は、示したように中実又は中空であるかあるいはより複雑な構造体であることができ、テザー７３を保護し、同様に、僅かに収束する７１の内壁を有する可能性があり、これによって、テザーは、保護された空洞内に完全に位置するように促進される。
【０１２３】
図８は、上昇した高高度プラットフォームを発射しかつ検索するために不適切な地点に飛行するときに、このようなプラットフォームの移動を可能にするヘリコプター配送システムを示している。大きな横風に耐えることができる軽量のテザー装置のみが、実際に牽引され、このように立てることができる。図８（ａ）は、テザー８３及び軽航空機又は気球が飛ばされるウィンチ及び制御ギヤ８８を支承する長いブーム８２を有するヘリコプターを示している。図は縮尺通りでない。図８（ｂ）は、巻回スプール８４と、油圧アクチュエータで置き換えることができるばね装置８７を有する張力スプール８５と、巻取りスプール８６とからなるウィンチ及び制御ギヤの輪郭詳細図を示している。図６と図７に記載したような保護装置は図示していない。組立体全体は、ヘリコプターに誘発された余分の抗力の管理を可能にするために流線形のケーシング８８内にある。急速解放締結装置８９は組立体をヘリコプターブーム８２に結合する。
【０１２４】
図９は、図１に示したプラットフォームの燃料管理及び電力システムをより詳細に示している。地上レベル位置のスプール６４内の水素加圧システム、導管６５及び高高度のプラットフォーム７９が示されている。
【０１２５】
スプール６４内の加圧システムは、低圧回転シール６２を備え、このシールを通して、水素はコンプレッサ６３に通過し、その後水素はテザー内の導管６５を流れ昇る。
【０１２６】
プラットフォーム７９で一旦、導管は、レットダウン弁６６を有する上部スプール６８に入る。次に、水素は回転シール６７を通して流れる。他の実施形態において、スプール６８及び回転シール６７は省略してもよい。別の実施形態において、プラットフォームに水素貯蔵部あってもよい。プラットフォームでは、水素は、アノード６９、膜７０及びカソード７１から構成された燃料電池内に流れる。大気７３は、コンプレッサ７４で圧縮され、カソード７１に入る前に脱湿器７５を通過させられる。水及び排気（主に窒素）は出口７２を介して排出される。
【０１２７】
燃料電池からの電力によりモータ７８が駆動され、次にコンプレッサ７４が駆動される。他に電力が使用されるのは、送信機７７に給電するペイロード電子装置７６ならびに任意のプラットフォーム安定化装置（図示せず）である。
【０１２８】
１つの雰囲気に圧縮することにより、より小さくかつよりコンパクトな燃料電池が可能になるが、発電電力の最大３分の１を消費することがある。この電力需要は、より低い圧力で燃料電池を動作させることによって、あるいはタービン内の燃料電池からの窒素出口流を膨張させることによって発電することによって、あるいは適切な分離プロセスによって燃料電池の入口空気流の酸素濃度を高めることによって低減することができる。
【０１２９】
図１０は、本発明による２本の燃料流体パイプを含むテザーの断面を示している。テザーは、２つの光ファイバーケーブル束８６及び２つの導管又はケーブル８８を含むスキン８４を備える。断面は、約４のアスペクト比を有する非円形であり、細長い。使用時、空気は左から右に流れ、前縁９０と後縁９１を画定する。同様に、弦長９２及び弦幅９３も画定される。９０と９１に、複数の外部光源を提供する小さい光ファイバーがある。
【０１３０】
断面は、前縁においてアラミド９４で充填され、残部は低密度フォーム９５で充填される。テザーの断面の要素の相対密度は、質量中心が線９６に沿って提供されるようなものであり、弦線の近くで対称である。
【０１３１】
空気が前縁から後縁に流れるとき、空気力学的圧力の中心は線９７に配置される。質量中心９６及び張力中心は空気力学的圧力の中心９７よりも前縁９０により近いので、示した装置は適切な剪断中心及び適度のねじれ力により安定している。したがって、テザーはその最小面積を流れる空気にさらし、最小の風抗力を受ける。
【０１３２】
図１１は、本発明による装置１００を示している。テザー１０６によって基地局（図示せず）に接続された気球又は飛行船１０２を備える。テザーは、断続的な光源１０４から気球又は飛行船１０２に移動する光ファイバーケーブル１０８を備える。
【０１３３】
光ファイバー１０８に沿って、気球又は飛行船１０２の周りの照明１１４を有する複数の照明１１０、１１２が離間している。より詳細に示されているように、光ファイバーケーブル１０８は、光ファイバー内の光の部分を照明１１０と１１２に方向転換させるカプラー１１６に入る。光の大部分は、光ファイバーに留まり、同一のプロセスが実施される次の対の照明に移動する。気球又は飛行船１０２で、残りの光は、等しく照明１１４に方向転換される。
【０１３４】
このように、安全照明が、軽量のコンパクトで小さい風抵抗の形態で設けられる。
図１２は、発光を提供するためのカプラー１１６の動作を詳細に示している。光ケーブル１０８からの光はカプラー１１６に入り、その結果、光の部分１０８ａが方向転換され、格子１１８に方向付けられる。光の大部分はカプラー１１６を通過し、方向転換されない。方向転換された光は格子１１８を出て、発光手段を提供するために広角で光を反射する反射性コーン１２０に方向付けられる。方向転換された光を分配して、発光手段を提供するための他の方法を容易に考え出すことができる。
【実施例】
【０１３５】
実施例−気球サイズに対するテザー形状及びリフトエアロフォイルの効果
「グライダー」装置又はテザーに取り付けらされたフィンによって導入される新規な空気力学的なテザー及びリフト可能性は、次の比較によって最善に示すことができる。以下の表には６つの例があり、４５ｍ／ｓ、８７ノットの横方向の風に耐えるように設計された１キロメートルの高度のテザーシステムのために多次元に最適化した後に第１の３つの例が比較される。他の変数の間で、この最適化は、所定の材料の設計応力の制約内にあり、テザーが、自動整列であり、プラットフォーム電力の利用可能性（１０ｋＷ）、テザー製造の実現可能性及び軽航空機設計であることを保証した。比較によれば、適切に設計された空気力学的なテザーは、円形テザーと比較して、係数４だけ軽航空機の体積を低減することが示されている。グライダーのリフト技術の使用、ならびに空気力学的なテザーにより、空気力学的なテザーのみに対して係数２だけ軽航空機の体積が低減される。軽航空機の揚力は、横方向の風がグライダー設計の場合に無視できる場合、テザー及びグライダーを空中に保ち、またプラットフォームを所望の高度に保つのになお十分である。
【０１３６】
第３の場合の適度のテザー張力及びはるかに小さい軽航空機サイズは、図８に記載したようなヘリコプター又は陸上車両による輸送による移動操作に適している。
【０１３７】
表に示した最後の３つの場合に、非常に高高度のプラットフォームによりさらに大きな利点が得られることを理解できる。高高度において、気球技術は、軽航空機技術よりもさらに進歩しており、２０ｋｍの高度において、気球上の風力はテザーの風力と比較して比較的小さい。さらに、グライダー技術により、繋がれた気球に作用する問題の１つ、すなわち風を横切って「ハント」する能力は、適切な制御方式によって軽減することができる。グライダー及び空気力学的なテザー技術の組み合わせの効果により、現在達成不可能な２６０ｍの直径からはるかに小幅な５８メートルの直径に、必要な気球のサイズを低減できることを理解することができ、これは気球体積の約百倍の低減となる。しかし、直径８０メートルの気球も、繋がれないが、３０ｋｍの高度に定期的に発射される。
【０１３８】
【表１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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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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【図１】
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【国際調査報告】
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