(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体内を、浮揚ガスを収容するための浮揚ガス収容領域と、空気を収容する空気収容領域とに、各領域の容積比を変化可能に仕切り、空気収容領域の空気を機体の外部に排出して上昇し、空気収容領域に機体の外部から空気を吸入して降下する飛行船の吸排気方法であって、
浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスの温度および圧力と、空気収容領域に収容される空気の温度および圧力と、機体の外部の空気の温度および圧力とに基づいて、機体の外部の空気の圧力に対する浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の圧力の差圧が、機体の破壊および変形を防止可能な差圧範囲に保持されるとともに、浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の温度が、機体の外部の空気の温度に近づくように、空気収容領域からの空気の排出と、空気収容領域への空気の吸入とを同時に実行することを特徴とする飛行船の吸排気方法。
【請求項２】
機体内を、浮揚ガスを収容するための浮揚ガス収容領域と、空気を収容する空気収容領域とに、各領域の容積比を変化可能に仕切り、空気収容領域の空気を機体の外部に排出して上昇し、空気収容領域に機体の外部から空気を吸入して降下する飛行船の吸排気装置であって、
空気収容領域に機体の外部から空気を吸入するための吸入手段と、
空気収容領域の空気を機体の外部に排出するための排出手段と、
浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスの温度および圧力を検出する浮揚ガス状態検出手段と、
空気収容領域に収容される空気の温度および圧力を検出する内部空気状態検出手段と、
機体の外部の空気の温度および圧力を検出する外部空気状態検出手段と、
浮揚ガス状態検出手段、内部空気状態検出手段および外部空気状態検出手段の検出結果に基づいて、機体の外部の空気の圧力に対する浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の圧力の差圧が、機体の破壊および変形を防止可能な差圧範囲に保持されるとともに、浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の温度が、機体の外部の空気の温度に近づくように、排出手段および吸入手段を同時に作動させるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする飛行船の吸排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行船の吸排気方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行船のエンベロープは、浮揚ガスが注入された浮揚ガス嚢および空気が注入される空気嚢に分かれている。また飛行船には、空気嚢内の空気（以下「船内空気」という）を外部に排出するための排気弁または排気ブロワと、外部の空気（以下「外気」という）を空気嚢内に吸入するための吸気ブロワを有している。
【０００３】
飛行船は、上昇するときには、排気弁または排気ブロワを用いて船内空気を排出し、飛行船全体の質量を減少させて鉛直上方に向かう余剰浮力を発生させ、この余剰浮力で上昇する。逆に降下するときは、飛行船は、吸気ブロワを用いて空気嚢に外気を吸入し、飛行船全体の質量を増加させて鉛直下方に向かう余剰浮力を発生させ、この余剰浮力で降下する。
【０００４】
空気の吸入または排出をするとき、浮揚ガス嚢内の浮揚ガス（以下「船内浮揚ガス」という）および船内空気（以下総称して「船内ガス」という）の圧力が、外気に比べて、エンベロープを破壊するほどの高い圧力になったり、船内ガスの圧力が外気の圧力に比べて、エンベロープの形状を保持できないほどの低い圧力になったりしないように、エンベロープの内外の差圧を適切な所定の差圧範囲に保持しなければならない。このために必要に応じて吸入または排出をして差圧を調整している。具体的には、エンベロープの内外の差圧が所定の差圧範囲から外れないように、吸入流量を調整しながら吸入し、または排出流量を調整しながら排出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
飛行船を速やかに上昇させるとき、浮力および外気圧の低減に合わせて、船内空気を排出していくと、船内ガスは断熱膨張と船内空気の排出により温度が低下する。船内ガスの温度が低下すると、飛行船全体の密度（＝飛行船全体の質量／飛行船全体の体積）が、飛行船によって排除された外気の密度と同程度以上に高くなり、鉛直上方に向かう余剰浮力が減少して、上昇速度が低くなって上昇が鈍化する。太陽輻射および対流伝熱などによって熱が流入し、船内ガスの温度が高くなれば、上昇速度が回復して大きくなる。
【０００６】
また飛行船を速やかに降下させるとき、浮力および外気圧の増加に合わせて、外気を吸入していくと、船内ガスは断熱圧縮と外気の吸入により温度が高騰する。船内ガスの温度が高騰すると、飛行船全体の密度が、飛行船によって排除された外気の密度と同程度以下に低くなり、鉛直下方に向かう余剰浮力が減少して、降下速度が低くなって降下が鈍化する。対流伝熱などによって熱が放出され、船内ガスの温度が低くなれば、降下速度が回復して大きくなる。
【０００７】
このように太陽輻射および対流伝熱によって船内ガスの温度が回復するのを待って、上昇および降下を続行する構成では、船内ガスの温度の回復を待つ時間が必要であり、目標高度まで上昇および降下するのに長い時間を要し、果たすべき任務の遂行を妨げるおそれがある。特に飛行船の耐風能力を超えるジェット気流帯を通過するときにそのジェット気流によって大きく流されたり、気象変化への対応が遅れたりすることが考えられる。
【０００８】
本発明は、機体内の浮揚ガスおよび空気の断熱変化による温度変化を抑制し、飛行船の上昇および降下を円滑に実行することができる飛行船の吸排気方法および装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、機体内を、浮揚ガスを収容するための浮揚ガス収容領域と、空気を収容する空気収容領域とに、各領域の容積比を変化可能に仕切り、空気収容領域の空気を機体の外部に排出して上昇し、空気収容領域に機体の外部から空気を吸入して降下する飛行船の吸排気方法であって、
浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスの温度および圧力と、空気収容領域に収容される空気の温度および圧力と、機体の外部の空気の温度および圧力とに基づいて、機体の外部の空気の圧力に対する浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の圧力の差圧が、機体の破壊および変形を防止可能な差圧範囲に保持されるとともに、浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の温度が、機体の外部の空気の温度に近づくように、空気収容領域からの空気の排出と、空気収容領域への空気の吸入とを同時に実行することを特徴とする飛行船の吸排気方法である。
【００１０】
本発明に従えば、浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスの温度および圧力と、空気収容領域に収容される空気（以下「船内空気」という）の温度および圧力と、機体の外部の空気（以下「外気」という）の温度および圧力とに基づいて、外気の吸入および船内空気の排出が同時に実行され、外気の圧力に対する浮揚ガスおよび船内空気（以下総称するとき「船内ガス」という）の圧力の差圧が、機体の破壊および変形を防止可能な差圧範囲に保持され、かつ船内ガスの温度が、外気の温度に近づけられる。
【００１１】
たとえば飛行船を上昇させるにあたって、船内空気を排出するだけではなく、外気を吸入し、船内空気の一部を外気と交換する。外気は、船内空気の排出に伴なう断熱膨張によって温度低下した船内空気に比べて温度が高く、このような空気の交換によって、断熱膨張によって低下した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスの温度が低くなり過ぎないように、外気の温度近傍に保持される。
【００１２】
またたとえば飛行船を降下させるにあたって、外気を吸入するだけではなく、船内空気を排出し、船内空気の一部を外気と交換する。外気は、外気の吸入に伴なう断熱圧縮によって温度高騰した船内空気に比べて温度が低く、このような空気の交換によって、断熱圧縮によって高騰した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスの温度が高くなり過ぎないように、外気の温度近傍に保持される。
【００１３】
またたとえば飛行船を所定位置に停留させるにあたって、吸排気を停止するのではなく、飛行船全体の質量が変化しないように、外気を吸入するとともに、船内空気を排出し、船内空気の一部を外気と交換する。このように空気収容領域を換気することによって、太陽輻射による船内ガスの温度の上昇など、船内ガスの温度変化を抑制して、船内ガスの温度が、外気の温度近傍に保持される。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、機体内を、浮揚ガスを収容するための浮揚ガス収容領域と、空気を収容する空気収容領域とに、各領域の容積比を変化可能に仕切り、空気収容領域の空気を機体の外部に排出して上昇し、空気収容領域に機体の外部から空気を吸入して降下する飛行船の吸排気装置であって、
空気収容領域に機体の外部から空気を吸入するための吸入手段と、
空気収容領域の空気を機体の外部に排出するための排出手段と、
浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスの温度および圧力を検出する浮揚ガス状態検出手段と、
空気収容領域に収容される空気の温度および圧力を検出する内部空気状態検出手段と、
機体の外部の空気の温度および圧力を検出する外部空気状態検出手段と、
浮揚ガス状態検出手段、内部空気状態検出手段および外部空気状態検出手段の検出結果に基づいて、機体の外部の空気の圧力に対する浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の圧力の差圧が、機体の破壊および変形を防止可能な差圧範囲に保持されるとともに、浮揚ガス収容領域に収容される浮揚ガスおよび空気収容領域に収容される空気の温度が、機体の外部の空気の温度に近づくように、排出手段および吸入手段を同時に作動させるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする飛行船の吸排気装置である。
【００１５】
本発明に従えば、浮揚ガス状態検出手段、内部空気状態検出手段および外部空気状態検出手段の検出結果に基づいて、吸入手段および排出手段が制御手段によって制御され、外気の圧力に対する船内ガスの圧力の差圧が、機体の破損および変形を防止可能な差圧範囲に保持され、かつ船内ガスの温度が、外気の温度に近づくように、吸入手段および排出手段が同時に作動される。
【００１６】
たとえば飛行船を上昇させるにあたって、排出手段によって船内空気が排出されるだけではなく、吸入手段によって外気が吸入され、船内空気の一部が外気と交換される。外気は、船内空気の排出に伴なう断熱膨張によって温度低下した船内空気に比べて温度が高く、このような空気の交換によって、断熱膨張によって低下した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスの温度が低くなり過ぎないように、外気の温度近傍に保持される。
【００１７】
またたとえば飛行船を降下させるにあたって、吸入手段によって外気が吸入されるだけではなく、排出手段によって船内空気が排出され、船内空気の一部が外気と交換される。外気は、外気の吸入に伴なう断熱圧縮によって温度高騰した船内空気に比べて温度が低く、このような空気の交換によって、断熱圧縮によって高騰した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスの温度が高くなり過ぎないように、外気の温度近傍に保持される。
【００１８】
またたとえば飛行船を所定位置に停留させるにあたって、吸排気を停止するのではなく、飛行船全体の質量が変化しないように、吸入手段によって外気が吸入されるとともに、排出手段によって船内空気が排出され、船内空気の一部が外気と交換される。このように空気収容領域を換気することによって、太陽輻射による船内ガスの温度の上昇など、船内ガスの温度変化を抑制して、船内ガスの温度が、外気の温度近傍に保持される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の吸排気装置６０を備える飛行船１を簡略して模式的に示す断面図である。図２は、吸排気装置６０を示すブロック図である。飛行船１は、たとえば通信および放送、地球観測ならびに災害監視などの任務のために用いられる成層圏プラットホームとして実施することができる飛行船であって、機体であるエンベロープ２の下部に、上記任務を遂行するための機器などが装備されるゴンドラ３が設けられて構成される。
【００２０】
エンベロープ２内には、可撓性を有する隔膜４が設けられ、エンベロープ２の上側部分と隔膜４によって浮揚ガス嚢５が形成され、エンベロープ２の下側部分と隔膜４によって空気嚢６が形成される。浮揚ガス嚢５は、浮揚ガスが収容される浮揚ガス収容領域７を形成し、空気嚢６は、空気が収容される空気収容領域８を形成する。
【００２１】
このようにエンベロープ２内は、隔膜４によって、上層の領域である浮揚ガス収容領域７と、下層の領域である空気収容領域８とに、各領域７，８の容積比を変化可能に仕切られる。浮揚ガスは、空気よりも比重の小さい軽い気体であって、たとえばヘリウムガスおよび水素ガスなどである。また空気嚢６は、姿勢制御のためのバロネットを含んで構成されてもよい。
【００２２】
飛行船１は、さらに吸気ブロワ１０と、排気弁１１とを含む。吸入手段である吸気ブロワ１０は、空気収容領域８にエンベロープ２の外部から、エンベロープ２外の空気（以下「外気」という）を吸入するための手段であって、たとえばエンベロープ２の下部に設けられる。排出手段である排気弁１１は、空気収容領域８に収容される空気（以下「船内空気」という）をエンベロープ２の外部に排出するための手段であって、たとえばエンベロープ２の下部に設けられる。排出手段は、排気弁１１に代えて排気ブロワでもよいが、本実施の形態では排気弁１１である。また吸気ブロワ１０および排気弁１１の個数は限定されることがなく、必要個数を適宜設ければよい。また吸入手段および排出手段は、必ずしもエンベロープ２の下部に設ける必要はなく、飛行船１の前進速度を利用して吸排気を促すことができるようにするために、吸入手段の吸気口を飛行船１の前部に設け、排出手段の排気口を飛行船１の後部に設けて、各々ダクトによって空気収容領域８に導くようにしてもよい。
【００２３】
吸気ブロワ１０による吸気流量が排気弁１１による排気流量よりも大きくなるように、吸気ブロワ１０および排気弁１１を作動させると、浮揚ガス収容領域７を縮小し、かつ空気収容領域８を拡大するように、隔膜４が変位しながら、外気が空気収容領域８に吸入され、飛行船１全体の比重（＝飛行船全体の質量／飛行船全体の体積）が大きくなる。このように比重を大きくすることによって、飛行船１に、鉛直下方に向かう余剰浮力を発生させ、飛行船１を降下させることができる。
【００２４】
逆に吸気ブロワ１０による吸気流量が排気弁１１による排気流量よりも小さくなるように、吸気ブロワ１０および排気弁１１を作動させると、浮揚ガス収容領域７を拡大し、かつ空気収容領域８を縮小するように、隔膜４が変位しながら、船内空気がエンベロープ２外に排出され、飛行船１全体の比重（＝飛行船全体の質量／飛行船全体の体積）が小さくなる。このように比重を小さくすることによって、飛行船１に、鉛直上方に向かう余剰浮力を発生させ、飛行船１を上昇させることができる。
【００２５】
飛行船１は、吸気ブロワ１０および排気弁１１を制御し、飛行船１の上昇および降下を円滑に実行することができるようにするために、浮揚ガス状態検出手段１３と、内部空気状態検出手段１４と、外部空気状態検出手段１５と、制御手段１６とをさらに含む。浮揚ガス検出手段１３は、浮揚ガス嚢５内の浮揚ガス収容領域７に設けられ、内部空気状態検出手段１４は、空気嚢６内の空気収容領域８に設けられ、外部空気状態検出手段１５は、たとえば温度および圧力が共に安定しているエンベロープ２の側部中央の外部に設置することが適当であるが、これに限定されずエンベロープ２の下部などの他の場所に設けてもよい。
【００２６】
浮揚ガス状態検出手段１３は、浮揚ガス圧力センサ１７および浮揚ガス温度センサ１８を有する。第1の船内圧力センサである浮揚ガス圧力センサ１７は、浮揚ガス収容領域７に収容される浮揚ガス（以下単に「浮揚ガス」という）の圧力を検出し、検出した浮揚ガスの圧力を表す浮揚ガス圧力信号Ｓ１を制御手段１６に与える。第1の船内温度センサである浮揚ガス温度センサ１８は、浮揚ガスの温度を検出し、検出した浮揚ガスの温度を表す浮揚ガス温度信号Ｓ２を制御手段１６に与える。
【００２７】
内部空気状態検出手段１４は、船内空気圧力センサ１９および船内空気温度センサ２０を有する。第２の船内圧力センサである船内空気圧力センサ１９は、船内空気の圧力を検出し、検出した船内空気の圧力を表す船内空気圧力信号Ｓ３を制御手段１６に与える。第２の船内温度センサである船内空気温度センサ２０は、船内空気の温度を検出し、検出した船内空気の温度を表す船内空気温度信号Ｓ４を制御手段１６に与える。
【００２８】
外部空気状態検出手段１５は、外気圧力センサ２１および外気温度センサ２２を有する。外気圧力センサ２１は、外気の圧力を検出し、検出した外気の圧力を表す外気圧力信号Ｓ５を制御手段１６に与える。外気温度センサ２２は、外気の温度を検出し、検出した外気の温度を表す外気温度信号Ｓ６を制御手段１６に与える。
【００２９】
制御手段１６は、飛行船１の浮力を制御するための手段であって、たとえばコンピュータなどの計算機によって実現され、ゴンドラ３内に、他の機器とともに設けられる。この制御手段１６は、上記各信号Ｓ１〜Ｓ６が表す、浮揚ガス状態検出手段１３、内部空気状態検出手段１４および外部空気状態検出手段１５の検出結果に基づいて、浮揚ガスおよび船内空気（以下総称して「船内ガス」という）の圧力から外気の圧力を減算した差圧ΔＰが、所定の差圧範囲に保持されるとともに、船内ガスの温度が外気の温度近傍の適度な温度範囲内で推移するように、吸気ブロワ１０および排気弁１１を同時に作動させるように制御する。
【００３０】
上記差圧ΔＰの所定の差圧範囲は、船内ガスの圧力が外気の圧力に対して、エンベロープ２を破壊するほどの高い圧力になったり、船内ガスの圧力が外気の圧力に対して、エンベロープ２の形状を保持できないほどの低い圧力になったりしない差圧、換言すれば、エンベロープ２の破壊および変形を防止し、エンベロープ２の機能を安定して果たすことができる適切な差圧の範囲である。一例を挙げると、船内ガスの圧力から外気の圧力を減算した差圧ΔＰは、２００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下程度に保持される。上記適度な温度範囲は、船内空気と外気との間で密度に大きな差が生じない温度範囲である。
【００３１】
飛行船１は、さらに高度および昇降率指令手段２５と、高度および昇降率検出手段２６とを含む。高度および昇降率指令手段２５は、高度指令器５０および昇降率指令器５１を有している。高度指令器５０は、予め入力されて設定され、または飛行中にたとえば通信手段などを用いて入力される目標高度であって、飛行船１が向かうべきおよび／または停留すべき目標高度を高度指令として表す目標高度信号Ｓ７を、制御手段１６に与える。昇降率指令器５１は、予め入力されて設定され、または飛行中にたとえば通信手段などを用いて入力される目標昇降率であって、目標高度を達成するための飛行船１の高度の時間変化率である昇降率、すなわち上昇および降下速度を昇降率指令として表す目標昇降率信号Ｓ１２を制御手段１６に与える。
【００３２】
高度および昇降率検出手段２６は、飛行船１の高度を検出する高度センサ５２および飛行船１の昇降率、すなわち単位時間あたりの変化高度を検出する昇降率センサ５３を有する。高度センサ５２は、検出した高度を表す検出高度信号Ｓ８を制御手段１６に与え、昇降率センサ５３は、検出した昇降率を表す検出昇降率信号Ｓ９を制御手段１６に与える。
【００３３】
制御手段１６は、少なくとも必要吸排気流量、吸排気配分、排気弁開度および吸気ブロワ出力の計算機能および差圧制限管理機能などを有している。このために制御手段１６は、少なくとも必要吸排気流量計算部３０と、吸排気配分計算部３１と、排気弁開度計算部３２と、吸気ブロワ出力計算部３３と、差圧制限管理部３４とを有する。
【００３４】
必要吸排気流量計算部３０は、目標高度信号Ｓ７によって与えられる目標高度および目標昇降率信号Ｓ１２によって与えられる目標昇降率に基づいて、必要吸排気流量を計算する。必要吸排気流量は、飛行船１に必要とされる吸気流量と排気流量との総計流量（＝吸気流量＋排気流量）であって、飛行船１に流入する量および飛行船１から流出する量のいずれか一方を正として表される。
【００３５】
飛行船１の浮力Ｂは、飛行船１によって排除される飛行船１の周囲の大気の密度ρと船体の体積Ｖhullとを乗じたものに、さらに重力加速度ｇを乗じたもの（＝ρＶhullｇ）であり、飛行船１に作用する重力Ｆ（＝飛行船１の質量Ｍ×重力加速度ｇ）と浮力Ｂとが釣り合えば飛行船１はその高度に停留し、浮力が大きければ飛行船１は鉛直上方に向かう余剰浮力で上昇し、重力が大きければ飛行船１は鉛直下方に向かう余剰浮力で降下する。大気の密度ρは、高度に対応して変化し、浮力が高度によって変化するので、飛行船１の質量Ｍを変化、すなわち増加および減少させて、重力Ｆを調節すれば、飛行船１は、重力Ｆと浮力Ｂとが釣り合う高度に上昇、降下および停留する。
【００３６】
必要吸排気流量計算部３０は、たとえば標準大気モデルを用いて、目標昇降率に対応する大気密度の時間変化率を求め、重力Ｆと浮力Ｂとが釣り合った状態を保持して飛行船１が安定して上昇および下降するように、大気密度の変化率に対応する浮力Ｂの変化率に応じて、飛行船１全体の質量Ｍを変化させることができる船内空気の質量の変化率を求め、必要吸排気流量を求める。
【００３７】
さらに必要吸排気流量計算部３０は、検出高度信号Ｓ８によって与えられる検出高度および検出昇降率信号Ｓ９によって与えられる検出昇降率を考慮して、指令値と検出値との差を無くすように、必要吸排気流量を求める。これによって高精度に制御することができる。
【００３８】
吸排気配分計算部３１は、浮揚ガス圧力信号Ｓ１によって与えられる検出浮揚ガス圧力、浮揚ガス温度信号Ｓ２によって与えられる検出浮揚ガス温度、船内空気圧力信号Ｓ３によって与えられる検出船内空気圧力、船内空気温度信号Ｓ４によって与えられる検出船内空気温度、外気圧力信号Ｓ５によって与えられる検出外気圧力および外気温度信号Ｓ６によって与えられる検出外気温度に基づいて、船内ガスの温度を外気温度に可及的に近い温度（同一温度を含む）に保持できるように、外気と交換される船内空気の流量である換気流量を可及的に大きくして、必要吸排気流量計算部３０で求められた必要吸排気流量を得ることができる必要吸気流量および必要排気流量を計算して求める。
【００３９】
排気弁開度計算部３２は、排気弁１１の制御値である必要開度を計算して求める。排気弁１１を介して外部に排出される船内空気の排出流量は、船内空気および外気の圧力と、船内空気の温度と、排気弁１１の開度とに基づいて決まるので、検出されるこれらの圧力と、検出される船内空気の温度と、吸排気配分計算部３１で求められた必要排気流量とに基づいて、必要排気流量が得られる排気弁１１の必要開度を求める。
【００４０】
吸気ブロワ出力計算部３３は、吸気ブロワ１０の制御値である必要出力を計算して求める。吸気ブロワ１０によって吸入される外気の吸入流量は、船内空気および外気の圧力と、外気の温度と、吸気ブロワ１０の出力とに基づいて決まるので、検出されるこれらの圧力と、検出される外気の温度と、吸排気配分計算部３１で求められた必要吸気流量とに基づいて、必要吸気流量が得られる吸気ブロワ１０の必要ブロワ出力を求める。
【００４１】
差圧制限管理部３４は、浮揚ガス圧力信号Ｓ１によって与えられる検出浮揚ガス圧力、船内空気圧力信号Ｓ３によって与えられる検出船内空気圧力、および外気圧力信号Ｓ５によって与えられる検出外気圧力に基づいて、エンベロープ２の内外差圧である船内ガスの圧力から外気の圧力を減算した上記差圧ΔＰを、計算して求める。検出浮揚ガス圧力と検出船内空気圧力とは、構成上、同一圧力となるので、いずれか一方、本実施の形態では検出船内空気圧力から検出外気圧力を減算して差圧ΔＰを求める。差圧制限管理部３４は、この求めた差圧ΔＰに基づいて、差圧ΔＰが所定の差圧範囲を外れる場合に、差圧ΔＰを所定の差圧範囲内に回復させることができる排気弁１１の開度および吸気ブロワ１０のブロワ出力の少なくともいずれか一方を求める。
【００４２】
差圧制限管理部３４は、たとえば求めた差圧ΔＰが、所定の差圧範囲を越える場合、すなわち上限値を越える場合には、船内ガス圧力を低くして差圧ΔＰを減少させるために、吸気ブロワ１０のブロワ出力を０とし、排気弁１１の開度をその時点の開度、少なくとも０より大きい開度として求める。また差圧制限管理部３４は、たとえば求めた差圧ΔＰが、所定の差圧範囲を下回る場合、すなわち下限値未満の場合には、船内ガス圧力を高くして差圧ΔＰを上昇させるために、吸気ブロワ１０のブロワ出力をその時点の値、少なくとも０より大きい値とし、排気弁１１の開度を０として求める。
【００４３】
このような制御手段１６は、差圧制限管理部３４で求めた差圧ΔＰが、上述のような適切な所定の差圧範囲に存在する場合には、排気弁開度計算部３２で求めた必要開度を開度指令として表す開度信号Ｓ１０を排気弁１１に与えるとともに、吸気ブロワ出力計算部３３で求められた必要ブロワ出力をブロワ出力指令として表すブロワ出力信号Ｓ１１を吸気ブロワ１０に与える。
【００４４】
また制御手段１６は、差圧制限管理部３４で求めた差圧ΔＰが、上述のような適切な所定の差圧範囲から外れる場合には、差圧ΔＰを所定の差圧範囲に回復させるための開度およびブロワ出力を、必要開度および必要ブロワ出力よりも優先させて指令する開度信号Ｓ１０およびブロワ出力信号Ｓ１１を与える。差圧制限管理部３４で差圧ΔＰを所定の差圧範囲に回復させるための開度およびブロワ出力の一方だけが求められた場合には、その一方だけを必要開度および必要ブロワ出力の対応する側に優先させて指令とし、残余は必要開度または必要ブロワ出力をそのまま指令として与える。換言すれば、差圧ΔＰが所定の差圧範囲から外れる場合には、吸気ブロワおよび排気弁の指令のうち少なくともいずれか一方を、差圧ΔＰを所定の差圧範囲に回復させるための指令に置き換えている。
【００４５】
排気弁１１は、ドライバである駆動制御器を備えており、開度信号Ｓ１０の表す開度指令に基づいて、開度を調節し、これによって開度指令に対応する排気流量が得られる。吸気ブロワ１０は、ドライバである駆動制御器を備えており、ブロワ出力信号Ｓ１１の表すブロワ出力指令に基づいて、出力を調節し、これによってブロワ出力指令に対応する吸気流量が得られる。
【００４６】
成層圏プラットホームとして用いられる飛行船１は、太陽電池および燃料電池から供給される電力で稼動するように構成されるので、推進装置および吸排気のための手段、本実施の形態では吸気ブロワ１０および排気弁１１での消費電力、太陽電池および燃料電池からの供給電力、船体重量および規模、ならびに耐風能力などを総合的に検討して、全体システムが設計される。したがってこのようなシステムの成立を満たし、かつ最大限の能力での吸排気が可能なように、吸気ブロワ１０および排気弁１１は設計される。
【００４７】
吸排気装置６０は、吸気ブロワ１０、排気弁１１、浮揚ガス状態検出手段１３、内部空気状態検出手段１４、外部空気状態検出手段１５、制御手段１６、高度および指令手段２５ならびに高度および昇降率検出手段２６を含んで構成される。
【００４８】
図３は、本発明の飛行船１の吸排気方法に従う吸排気制御動作を示すフローチャートである。本発明の吸排気方法では、基本的には、浮揚ガスの温度および圧力と、船内空気の温度および圧力と、外気の温度および圧力とに基づいて、差圧ΔＰが、所定の差圧範囲に保持されるとともに、船内ガスの温度が外気の温度近傍の適度な温度範囲内で推移するように、具体的には、船内ガスの温度が、飛行船上昇時に低くなり過ぎないように、また飛行船降下時に高くなり過ぎないように、船内空気の排出と、外気の吸入とを同時に実行する。
【００４９】
飛行船１を運航制御するにあたって、本発明に従って実行される吸排気方法では、ステップａ０で、高度および昇降率指令手段２５による指令によって、吸排気制御動作が開始されると、ステップａ１で、各種情報が取得される。具体的には、上述の各検出手段１３〜１５，２６によって、浮揚ガス圧力、浮揚ガス温度、船内空気圧力、船内空気温度、外気圧力、外気温度、高度および昇降率が検出され、制御手段１６に与えられる。
【００５０】
各種情報が取得されると、ステップａ２に移行し、必要吸排気流量計算部３０によって、上述のようにして必要吸排気流量を求める。指令される高度が現在の高度よりも高ければ、上昇するために、総計として必要な排出すべき流量が求められ、指令される高度が現在の高度よりも低ければ、降下するために、総計として必要な吸入すべき流量が求められ、指令される高度が現在の高度と同一であれば、その高度に停留するために、総計として吸気も排気もしない吸排気流量、すなわち０が求められる。このように必要吸排気流量を求めた後、ステップａ３に移行し、吸排気配分計算部３１によって、上述のようにして必要吸気流量および必要排気流量を求め、ステップａ４に移行する。
【００５１】
ステップａ４では、排気弁開度計算部３２によって、上述のようにして排気弁１１の開度を求めるととともに、吸気ブロワ出力計算部３３によって，上述のようにして吸気ブロワ１０のブロワ出力を求める。さらにステップａ４では、差圧制限管理部３４によって、上述のように差圧ΔＰが所定の差圧範囲から外れる場合には、差圧ΔＰが所定の差圧範囲に回復するように、排気弁１１の開度および吸気ブロワ１０のブロワ出力の少なくともいずれか一方を求めて置き換える。
【００５２】
このように、排気弁１１の開度および吸気ブロワ１０のブロワ出力を求めてステップａ５に移行する。ステップａ５では、ステップａ４で求めた排気弁１１の開度を指令する開度信号Ｓ１０が制御手段１６から排気弁１１に与えられて、排気弁１１が指令に基づいて駆動されるとともに、ステップａ４で求めた吸気ブロワ１０のブロワ出力を指令するブロワ出力信号Ｓ１１が制御手段１６から吸気ブロワ１０に与えられて、吸気ブロワ１０が指令に基づいて駆動される。
【００５３】
このように排気弁１１および吸気ブロワ１０を駆動して、ステップａ６に移行し、一連の動作が終了する。この図３を参照して説明したような一連の運航制御動作を繰り返すことによって、飛行船１が運航される。
【００５４】
以上説明したような飛行船１によれば、浮揚ガス状態検出手段１３、内部空気状態検出手段１４および外部空気状態検出手段１５の検出結果に基づいて、吸気ブロワ１０および排気弁１１が制御手段１６によって制御され、外気の圧力に対する船内ガスの圧力の差圧ΔＰが、所定の差圧範囲に保持され、かつ船内ガスの温度が外気の温度近傍の適度な温度範囲内で推移するように、吸気ブロワ１０および排気弁１１が同時に作動される。
【００５５】
飛行船１を上昇させるにあたって、排気弁１１によって船内空気が排出されるだけではなく、吸気ブロワ１０によって外気が吸入され、船内空気の一部が外気と交換される。外気は、船内空気の排出に伴なう断熱膨張によって温度低下した船内空気に比べて温度が高く、このような空気の交換によって、断熱膨張によって低下した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスが、外気の温度に近い温度に保持される。
【００５６】
また飛行船１を降下させるにあたって、吸気ブロワ１０によって外気が吸入されるだけではなく、排気弁１１によって船内空気が排出され、船内空気の一部が外気と交換される。外気は、外気の吸入に伴なう断熱圧縮によって温度高騰した船内空気に比べて温度が低く、このような空気の交換によって、断熱圧縮によって高騰した船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスが、外気の温度に近い温度に保持される。
【００５７】
また飛行船を所定位置に停留させるにあたって、吸排気を停止するのではなく、飛行船１全体の質量が変化しないように、吸気ブロワ１０によって外気が吸入されるとともに、排気弁１１によって船内空気が排出され、船内空気の一部が外気と交換される。このように空気収容領域８を換気することによって、太陽輻射による船内ガスの温度の上昇など、船内ガスの温度変化を抑制して、船内ガスが、外気の温度に近い温度に保持される。
【００５８】
このように飛行船１を上昇および降下させるにあたって、船内空気の一部を外気と交換することによって、断熱変化を起こした船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。これによって上昇に必要な適切な鉛直上方に向かう余剰浮力および降下に必要な適切な鉛直下方に向かう余剰浮力が得られ、従来のように空気の交換をしない構成に比べて、上昇および降下に要する時間を短縮し、円滑に上昇および降下することができる。
【００５９】
図４は、飛行船１による地上から離陸して上昇する場合のシミュレーションによる経過時間と高度との関係を示すグラフである。図５は、図４のシミュレーションによる船内空気と高度との関係を示すグラフである。図４において、実線４０は、本発明に従って吸気ブロワ１０を、排気弁１１と同時に作動させた場合の経過時間と高度との関係を示し、破線４１は、従来の技術のように吸気ブロワ１０を全く作動させずに、排気弁１１だけを作動させた場合の経過時間と高度との関係を示す。図５において、実線４２は、本発明に従って吸気ブロワ１０を、排気弁１１と同時に作動させた場合の船内空気の温度と高度との関係を示し、破線４３は、従来の技術のように吸気ブロワ１０を全く作動させずに、排気弁１１だけを作動させた場合の船内空気の温度と高度との関係を示し、一点鎖線４３は、外気温度と高度の関係を示す。
【００６０】
図４および図５に示されるように、排気弁１１だけを作動させ、太陽輻射などによって自然に船内空気の温度が回復するのを待ちながら上昇する場合に比べて、吸気ブロワ１０および排気弁１１を同時に作動させることによって、船内空気の温度を外気温度に近い状態であって、外気温度とほぼ同一に保持し、短時間で高い高度に達するように上昇させることができる。たとえば本発明に従えば、高度２万ｍまで達するのに要する時間を、従来の技術に比べて約１時間２０分程度短縮することができる。このように上昇および降下に要する時間を短縮し、円滑に上昇および降下することができ、任務の円滑な遂行が可能になる。
【００６１】
たとえば高度約１２ｋｍ付近に存在するジェット気流帯を通過するときに、その通過に要する時間が短くなるので、風に流される距離を最小限に抑え、目標位置に容易に到着することができる。ジェット気流帯は、空気が水平方向に高速度で流れる強風域であって、成層圏プラットホームとして用いられる飛行船１は、地上と任務遂行高度となる成層圏との間を移動するには、このジェット気流帯を通過しなければならない。このとき風（空気の流れ）に流されないように、飛行船１に搭載する推進装置の出力を上げて風に抵抗するが、上述したような全体システムの総合的な設計から、推進装置の最大出力は、成層圏での比較的小さい風速に合わせて設計されているので、ジェット気流帯の風に対しては、流されないようにするための出力としては不足し、風に流されながらの上昇／降下飛行となる。流される距離Ｄは、風速Ｖwから飛行船の最大速度Ｖsを減算したものの時間積分（Ｄ＝∫（Ｖw−Ｖs）ｄｔ）であり、この距離Ｄを小さくするためには、通過時間を短くすればよい。したがって本発明にしたがって、速やかに上昇および降下すれば、ジェット気流帯通過時に流される距離Ｄを短くして、目標位置に容易に到着することができる。
【００６２】
また任務を遂行する高度に停留するとき、船内ガスの温度および圧力の高騰を抑えることができ、飛行船１の機体の構造に対する強度要求を低減することができる。さらに無風状態での停留にあたって、強制対流伝熱による放熱をする目的で、飛行船に対する外気の相対的な流れを得るために、飛行船１に停留点付近を移動させることなく、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。したがって地面に対して移動することなく、一定の停留位置に停留すること、すなわち定点滞空が可能になる。
【００６３】
上述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば飛行船１は、成層圏プラットホームとして用いられる飛行船に限定されることはなく、他の用途の飛行船であってもよい。また図１には、飛行船１を簡略化して示しているが、飛行船１は、少なくとも空気嚢６を複数の空気室に分割した構成とし、各空気室の空気を個別に排出し、かつ各空気室に外気を個別に吸入できるようにして、これによって姿勢を制御することができるようにしてもよい。また排出手段は、排気弁に代えて排気ブロワを用いてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、飛行船を上昇および降下させるにあたって、船内空気の一部を外気と交換することによって、断熱変化を起こした船内ガス温度の回復を図り、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。これによって上昇に必要な適切な鉛直上方に向かう余剰浮力および降下に必要な適切な鉛直下方に向かう余剰浮力が得られ、従来のように空気の交換をしない構成に比べて、上昇および降下に要する時間を短縮し、円滑に上昇および降下することができる。したがって任務の円滑な遂行が可能になる。たとえば高度約１２ｋｍ付近に存在するジェット気流帯を通過するときに、その通過に要する時間が短くなるので、風に流される距離を最小限に抑え、目標位置に容易に到着することができる。また任務を遂行する高度に停留するとき、船内ガスの温度および圧力の高騰を抑えることができ、飛行船の機体の構造に対する強度要求を低減することができる。さらに無風状態での停留にあたって、強制対流伝熱による放熱をする目的で、飛行船に対する外気の相対的な流れを得るために、飛行船に停留点付近を移動させることなく、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。したがって地面に対して移動することなく、一定の停留位置に停留すること、すなわち定点滞空が可能になる。
【００６５】
請求項２記載の本発明によれば、飛行船を上昇および降下させるにあたって、船内空気の一部を外気と交換することによって、断熱変化を起こした船内ガスの温度の回復を図り、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。これによって上昇に必要な適切な鉛直上方に向かう余剰浮力および降下に必要な適切な鉛直下方に向かう余剰浮力が得られ、従来のように空気の交換をしない構成に比べて、上昇および降下に要する時間を短縮し、円滑に上昇および降下することができる。したがって任務の円滑な遂行が可能になる。たとえば高度約１２ｋｍ付近に存在するジェット気流帯を通過するときに、その通過に要する時間が短くなるので、風に流される距離を最小限に抑え、目標位置に容易に到着することができる。また任務を遂行する高度に停留するとき、船内ガスの温度および圧力の高騰を抑えることができ、飛行船の機体の構造に対する強度要求を低減することができる。さらに無風状態での停留にあたって、強制対流伝熱による放熱をする目的で、飛行船に対する外気の相対的な流れを得るために、飛行船に停留点付近を移動させることなく、船内ガスを、外気の温度に近い温度に保持することができる。したがって地面に対して移動することなく、一定の停留位置に停留すること、すなわち定点滞空が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の吸排気装置６０を備える飛行船１を簡略して模式的に示す断面図である。
【図２】吸排気装置６０を示すブロック図である。
【図３】本発明の飛行船１の吸排気方法に従う吸排気制御動作を示すフローチャートである。
【図４】飛行船１による地上から離陸して上昇する場合のシミュレーションによる経過時間と高度との関係を示すグラフである。
【図５】図４のシミュレーションによる船内空気と高度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  飛行船
２  エンベロープ
３  ゴンドラ
４  隔膜
５  浮揚ガス嚢
６  空気嚢
７  浮揚ガス収容領域
８  空気収容領域
１０  吸気ブロワ
１１  排気弁
１３  浮揚ガス状態検出手段
１４  内部空気状態検出手段
１５  外部空気状態検出手段
１６  制御手段
６０  吸排気装置
【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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