(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮揚ガスが封入され上記浮揚ガスによる浮力によって浮揚する機体本体に、水の電気分解によって水素ガスを生成し上記水素ガスを上記機体本体に補給することにより上記浮揚ガスの漏洩による浮力の減少を補償する浮力補償装置を設け、
上記浮力補償装置は、軽量材からなる球形の断熱容器内に電解用の水を入れるブラダを収容して、そのブラダ内に上記水の凍結を防止するためのヒータが設置されると共に、上記ブラダからポンプにより水が導入されて上記電気分解が行われる電解チャンバが設置され、該電解チャンバには、内部の水の温度および圧力を電気分解が可能な水の状態に保持するための加熱器および加圧器がそれぞれ設けられている、
ことを特徴とする成層圏用飛行体。
【請求項２】
成層圏用飛行体の飛行空域大気の温度、圧力、日射、飛行位置および対気速度を測定する大気計測用センサ群、並びに、ヘリウムガス嚢内に設けられヘリウムガスの温度、圧力、ヘリウム純度を測定するガス嚢内センサ群がマイクロコンピュータに接続され、
該マイクロコンピュータが、上記大気計測用センサ群およびガス嚢内センサ群の測定結果に基づいて成層圏用飛行体の沈下もしくは上昇度合を算出し、浮力の減少度合を計算したうえで、必要な水素ガス量を算出し水の電気分解を行わせる機能を備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載の成層圏用飛行体。
【請求項３】
上記マイクロコンピュータが、水位センサおよび水温センサの検出結果より、電解チャンバへの水の導入量および加熱器の発熱量を制御するとともに、加圧器により上記電解チャンバ内の圧力を制御する機能を備えている、
ことを特徴とする請求項２に記載の成層圏用飛行体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、封入された浮揚ガスによる浮力によって浮揚する気球や飛行船などの成層圏用飛行体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
長期間、高高度に滞空して地球環境監視などに従事する科学観測気球や無人成層圏飛行船は、水素やヘリウムなどの浮揚ガスが漏洩し浮力が徐々に減少するため、ミッション期間が制約される。
【０００３】
そこで、科学観測気球は、ヘリウムガスを液化しておき、この液体ヘリウムを断熱性能の高いデュワー瓶に入れ、液体ヘリウムを浮力の減少に応じて電熱によって蒸発させガス化し、ヘリウムガスの必要量を浮揚ガス嚢に入れて浮力を回復させる浮力補償装置を備えている。
【０００４】
たとえば、米国で発表された米国航空学会論文（ＡＩＡＡ９９−３８６２，Ｍ．Ｓｃｈｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｈｅｌｉｕｍ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｕｒａｔｉｏｎ  Ｂａｌｌｏｏｍ  Ｆｌｉｇｈｔｓ，１９９９年）に提案された、１m3の液体ヘリウムを保持する浮力補償装置の全重量は３８５ｋｇ、このうち液体ヘリウムの重量は１３５ｋｇ、装置のみの重量は２５０ｋｇであり、この装置のみの重量２５０ｋｇの中には、デュワー瓶の重量約２００ｋｇの他、デュワー瓶の断熱性能によって液体ヘリウムのガス化が速く進んだ場合に備えてヘリウムガスを電力で加圧液化してデュワー瓶に戻す装置の重量も含まれている。
そして、液体ヘリウムがすべてガスになると、７４０ｋｇの浮力が発生することになり、装置の全重量を引くと３５５ｋｇの正味浮力の回復が可能であり、これに要する電力は２０〜５０Ｗ程度と見込まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如き浮力補償装置では、液体ヘリウムが熱によって自然蒸発し圧力を高めるので、液体ヘリウムを断熱性が高く耐圧性もあり表面積が最小のデュワー瓶に保持しなければならず、しかも耐衝撃などに格段の注意を払った設計で製作されたデュワー瓶収納用の容器が必要となり、重量がかなり大きくなる。
加えて、デュワー瓶の断熱性が悪くあるいは気球や飛行船のガス漏洩がきわめて小さい場合の液体ヘリウムの過剰ガス化に備え、ヘリウムガスの液化装置が必要になるので、浮力補償装置が大型化し重量が増大するという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型軽量の浮力補償装置を備えた成層圏用飛行体を提供することにある。
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る成層圏用飛行体は、浮揚ガスが封入され上記浮揚ガスによる浮力によって浮揚する機体本体に、水の電気分解によって水素ガスを生成し上記水素ガスを上記機体本体に補給することにより上記浮揚ガスの漏洩による浮力の減少を補償する浮力補償装置を設け、上記浮力補償装置は、軽量材からなる球形の断熱容器内に電解用の水を入れるブラダを収容して、そのブラダ内に上記水の凍結を防止するためのヒータが設置されると共に、上記ブラダからポンプにより水が導入されて上記電気分解が行われる電解チャンバが設置され、該電解チャンバには、内部の水の温度および圧力を電気分解が可能な水の状態に保持するための加熱器および加圧器がそれぞれ設けられていることを特徴としている。
また、上記成層圏用飛行体の飛行空域大気の温度、圧力、日射、飛行位置および対気速度を測定する大気計測用センサ群、並びに、ヘリウムガス嚢内に設けられヘリウムガスの温度、圧力、ヘリウム純度を測定するガス嚢内センサ群がマイクロコンピュータに接続され、該マイクロコンピュータが、上記大気計測用センサ群およびガス嚢内センサ群の測定結果に基づいて成層圏用飛行体の沈下もしくは上昇度合を算出し、浮力の減少度合を計算したうえで、必要な水素ガス量を算出し水の電気分解を行わせる機能を備え、更に、上記マイクロコンピュータが、水位センサおよび水温センサの検出結果より、電解チャンバへの水の導入量および加熱器の発熱量を制御するとともに、加圧器により上記電解チャンバ内の圧力を制御する機能を備えているものとすることができる。
【０００８】
したがって、本発明によれば、水電解によって生成される水素ガスにより浮力が補償され、水電解装置は装置構成が簡単であるので、浮力補償装置の小型軽量化が達成され、低コストかつ安全に浮力の回復が行なわれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するに当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る成層圏飛行船の一部切欠き正面図、図２は、図１の前面図、図３は、浮力補償装置の要部断面説明図である。
【００１０】
図１、２に示す成層圏飛行船１は、機体長が２００〜３００ｍの大型飛行船であり、流線型気球の電動推進式成層圏無人プラットフォームとして期待されており、地上約２０ｋｍ高度（ミッション高度）の成層圏に長期間滞留して地球環境の調査観測や情報中継用として利用される。
【００１１】
成層圏飛行船１は、ガスバリヤー膜であるヘリウムガス嚢３を収容した流線型の船体２と尾翼４とを備え、ヘリウムガス嚢３には浮揚ガスとしてのヘリウムガスが封入され、充分な強度と剛性を有する加圧膜構造もしくは硬骨構造あるいはこれらの組み合わせからなり、ヘリウムガスと大気圧との比重差により生じるヘリウムガスの余剰浮力で上昇しミッション高度で余剰浮力分のヘリウムガスを放出して滞留する。
【００１２】
船体２の船尾には船尾プロペラ５がその回転軸を船体２の前後方向中心軸に一致するように突設されるとともに、船尾プロペラ５の回転軸と連結した推進駆動モータ６が内設され、船尾プロペラ５が推進駆動モータ６によって回転することにより成層圏飛行船１の推進力が得られるようになっている。
船体２の船首よりの側部には、回転軸が船体２の前後方向中心軸に対して略直角方向に向く船側プロペラ７が設けられ、この船側プロペラ７によって船体２の進行方向が変更されるようになっている。
【００１３】
船体２の上側外周には太陽電池パネル８が張設され、この太陽電池パネル８によって発電された電力がバッテリ（図示略す）に蓄電され、このバッテリからの電力によって船尾プロペラ５、船側プロペラ７、その他の駆動部が駆動される。
船体２の略中央部には地球環境の調査観測、通信・放送および災害監視に用いられる観測・情報機器９、燃料電池１０および後述する浮力補償装置１１が配設されている。
【００１４】
浮力補償装置１１では、図３に示すように、球形で軽量な断熱容器１２内に薄膜軽量のブラダ１３が収容され、このブラダ１３内に純水Ｗが貯留されている。
断熱容器１２の下部には電解チャンバ１４が設けられ、電解チャンバ１４の上部に装着されたポンプ１５によって断熱容器１２内の純水Ｗが電解チャンバ１４に導入されるようになっている。
断熱容器１２の上部には外気圧と断熱容器１２内の気圧とが同圧になるように空気孔２３が開設され、ブラダ１３内には純水Ｗの温度を一定に保ち凍結を防止するためのヒータ２９が設置されている。
【００１５】
電解チャンバ１４内には、陽極１６および陰極１７が離間して配置されるとともに、純水Ｗの温度および水位を検出する水温センサ１８および水位センサ２０が配設され、さらには電解チャンバ１４内を純水Ｗの電気分解に最適な圧力および温度に保持するための加圧器２５および加熱器１９がそれぞれ配設されている。
陽極１６および陰極１７の上半部はそれぞれガス導入管２１内に位置し、陽極１６側のガス導入管２１は酸素ガスの流れは許容するが逆方向の流れは抑止する逆止弁２２を途中に装着して大気中に開放され、陰極１７側のガス導入管２１は水素ガスの流れは許容するが逆方向の流れは抑止する逆止弁２２を途中に装着してヘリウムガス嚢３に連通されている。なお、上記陽極１６および陰極１７としては、ニッケルメッキを施した鉄板が用いられている。
【００１６】
ポンプ１５、陽極１６、陰極１７、水温センサ１８、加熱器１９、水位センサ２０、加圧器２５、ヘリウムガス嚢３内に設けられヘリウムガスの温度、圧力、ヘリウム純度などを測定するガス嚢内センサ群２４、成層圏飛行船１の飛行空域大気の温度、圧力および日射、成層圏飛行船１の飛行位置および対気速度などを測定する大気計測用センサ群２８は、マイクロコンピュータ２６に接続され、太陽電池パネル８（バッテリ）および燃料電池１０の直流電源２７より電力が供給されるようになっている。
【００１７】
マイクロコンピュータ２６は、大気計測用センサ群２８およびガス嚢内センサ群２４の測定結果に基づいて成層圏飛行船１の沈下もしくは上昇度合を算出し浮力の減少度合を計算した後、必要な水素ガス量を算出し水電解を行なわせ、水位センサ２０および水温センサ１８の検出結果よりポンプ１５による純水Ｗの電解チャンバ１４への導入量および加熱器１９の発熱量を制御するとともに、電解チャンバ１４内が適正圧力になるように加圧器２５を制御するものである。
【００１８】
成層圏飛行船１は、以上の如く構成されているので、電解チャンバ１４内において、純水Ｗの電気分解が行われ、このとき生成される水素ガスはガス導入管２１を介してヘリウムガス嚢３に補給され、酸素ガスはガス導入管２１より大気中に排出される。
かくして、水素ガスの補給により浮力が増加するとともに、電気分解による純水Ｗの減少によって船体２の総重量が減少し、成層圏飛行船１における浮揚ガスの漏洩による浮力の減少が補償され、失った浮力が回復することになる。
【００１９】
この場合、ヘリウムガス嚢３内の温度、圧力およびヘリウム純度などが測定されるとともに、飛行空域大気の温度、圧力および日射などが測定され、さらには成層圏飛行船１の沈下もしくは上昇度合が成層圏飛行船１の位置や対気速度から算出され、浮力の減少度合が計算される。この浮力の減少率に応じて水素ガスが生成され浮力の補償が行なわれる。
また、水電解に必要な電力は太陽電池パネル８（バッテリ）および／もしくは燃料電池１０より供給すれば、電力供給系での全体重量の増減はない。
なお、水素ガスをヘリウムガスに混合した場合、約１０％の混合比迄爆発しない領域であり、水素ガスを浮揚ガスとして使用している場合は発生水素ガスの量的制約はない。
【００２０】
ところで、１３５ｋｇの水を電気分解してできる水素ガスの量を考えると、２モルの水分子は１モルの酸素ガスと２モルの水素ガスに分解する。これらの質量は３２ｋｇと４ｋｇであり、分解した酸素ガスと水素ガスの質量比は８：１である。
【００２１】
したがって、１３５ｋｇの水は質量１２０ｋｇの酸素と質量１５ｋｇの水素とに分かれる。質量１５ｋｇの水素ガスは７５００モルなので、７５００モル×２２．４（リットル／モル）＝１６８，０００リットル＝１６８ｍ3（常温常圧）となる。
【００２２】
空気密度は１．２９ｋｇ／ｍ3、水素の密度は０．０９ｋｇ／ｍ3なので、１６８ｍ3の水素の空気中での浮力（０°Ｃ）は、（１６８ｍ3）×（１．２９−０．０９）ｋｇ／ｍ3＝２０１．６ｋｇとなる。
したがって、残りの酸素１２０ｋｇを捨てると、水の重量全部の１３５ｋｇがなくなったことになり、見掛け上、３３６ｋｇの浮力が発生することになる。
【００２３】
このように、本実施の形態では、純水Ｗを船体２に搭載し浮力の減少に応じて純水Ｗを電気分解し水素ガスと酸素ガスとに分けた後、酸素ガスは大気に放出し、水素ガスをヘリウムガス嚢３に供給するので、純水Ｗの重量が減少し、水素ガスの発生により浮力が増加する。
【００２４】
今、一定量の液体をガス化して浮力を発生させる場合、発生ガスによる浮力に、消失した液体の重量を加えた浮力増加を発生浮力といい、ガス化装置の重量を発生浮力から差し引いた量を正味の回復浮力というと、回復浮力は装置が存在しないと仮定した場合の浮力の増加分であるので、水の電解槽を薄膜製の袋とし断熱容器１２にスタイロフォーム（ザ  ダウ  ケミカル社の登録商標）と呼ばれている気泡状プラスチックなどの軽量材を使用すれば、その重量は約１０ｋｇ、パイプや制御器の重量を１０ｋｇとすれば、ガス化装置の全重量は１５５ｋｇとなり、この装置では３３６ｋｇの浮力が発生するので差し引き約１８０ｋｇの正味浮力の回復が可能となる。50100
【００２５】
液体ヘリウムのように、全装置の重量が３８５ｋｇと同等重量の水電解方式の浮力回復装置を考えると、その浮力発生能力の関係は３８５：１５５＝ｘ：３３６となるので、発生浮力ｘ＝８３４ｋｇとなり、ヘリウム液化の場合の発生浮力７４０ｋｇを大幅に上回る。水電解槽とパイプ、制御器はさらに軽量化の可能性があり、発生浮力は８４０ｋｇ以上になると考えられる。液体ヘリウム方式との優位差は明らかである。
さらに、本実施の形態の水電解装置では、水を電解液としているので、安全上有利であり、しかも装置構成が簡単であるので、成層圏飛行船１の浮力の補償が簡便かつ小型軽量の浮力補償装置１１によって行なうことができる。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で設計において種々の変更ができるものである。
たとえば、上記実施の形態では、電解チャンバ１４の上部に装着されたポンプ１５によって純水Ｗが電解チャンバ１４に導入されるようになっているが、ポンプ１５に代えて電解チャンバ１４上にあって電解チャンバ１４に自然落下する純水Ｗの流量を電磁弁によって制御してもよい。
また、ブラダ１３内の純水Ｗに凍結防止用の添加物を投入することにより純水Ｗの融点を下げ凍結を回避してもよい。
さらに、純水Ｗに水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどを投与して電解液の電気抵抗を下げ電気分解を促進させてもよい。
また、水電解によって生成された水素ガスを燃料電池１０の燃料として用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、水の電気分解によって生成される水素ガスによって浮力を補償するので、従来のように極低温の液体ヘリウムを大量に保持する必要がなくなり、水電解装置は装置構成が簡単であるとともに、電解分の水がなくなり結果として装置重量が軽減化されるので、小型軽量の浮力補償装置によって低コストで安全かつ信頼性よく浮力回復効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す成層圏飛行船の一部切欠き正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す成層圏飛行船の前面図である。
【図３】本発明の一実施の形態を示す成層圏飛行船における浮力補償装置の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１  成層圏飛行船
２  船体
３  ヘリウムガス嚢
４  尾翼
５  船尾プロペラ
６  推進駆動モータ
７  船側プロペラ
８  太陽電池パネル
９  観測・情報機器
１０  燃料電池
１１  浮力補償装置
１２  断熱容器
１３  ブラダ
１４  電解チャンバ
１５  ポンプ
１６  陽極
１７  陰極
１８  水温センサ
１９  加熱器
２０  水位センサ
２１  ガス導入管
２２  逆止弁
２３  空気孔
２４  ガス嚢内センサ群
２５  加圧器
２６  マイクロコンピュータ
２７  直流電源
２８  大気計測用センサ群
２９  ヒータ
Ｗ  純水
【図１】
0004586137.tif 000002
【図２】
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【図３】
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