专利名称：具有静态浮力的悬浮的承载结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前叙部分所述的悬浮的承载结构。
具有静态浮力的比空气轻的结构例如在WO 97/33790(D1)中被作为同温层内的静止的通信平台被提出。连同普遍公知的例如作为高刚性飞艇配有成形的内框架的、主要用于运输和广告用途的传统飞艇，WO 95/30573(D2)公开了一种形式为空中城堡的飞艇，其应作为整体飞行，并包含工作空间和居住空间。多个充气构件或具有可气动的中空体的支架以及单独的压力和拉元件是公知的，例如在WO01/73245(D3)中或在三个瑞士专利申请，即CH2003 0492/03(D4)、CH2003 0493/03(D5)、CH2003 1259/03(D6)中公开。
D1中的飞行平台由两个具有或多或少空气动力的形状的气囊、真正的气球、或非刚性的或准刚性的飞艇来承载。平台自身不具有浮力，并只用于容纳技术仪器。D2主要示出了一种具有特殊形状的和在结构内部中有大使用空间的刚性飞艇。使用空间或乘客空间集成在飞艇体中，而不是悬挂在其下。D3公开了一种气动构件，其包含一个可用压缩空气加载的用于稳定压杆的中空体。但该中空体不用于容纳比空气轻的气体，因此不具有静态浮力。D4和D6是D3的改进方案和特殊情况。因此D3是最近的现有技术。
本发明的任务在于提供一种具有单独的拉和压力元件的牢固的稳定的承载结构，其在极轻的构造方式的意义上完全可以或几乎可以悬浮。该悬浮的构件使得用于不需借助于起重机而进行的暂时性的顶棚装配或简化的装配工作的新解决方案成为可能。该承载结构元件应替代球形或椭圆形的构造形式可使用长形或扁平的但抗弯的构造形式，其此外提供小的迎风面积。
该任务的解决方案在权利要求1的特征部分中在其主要特征方面给出，在下面的权利要求中给出其他有利的设计方案。
借助于附图利用多个实施例对本发明的主题做进一步解释。
图1 悬浮的承载结构的第一实施例的等轴视图，图2a，b 悬浮的承载结构的第二实施例的等轴示意图和横截面示意图，图3a，b 悬浮的承载结构的第三实施例的俯视示意图和横截面示意图，图4a，b 悬浮的承载结构的一个实施例在悬浮状态和非悬浮状态中的截面示意图，图5 悬浮的承载结构的第四实施例的横截面示意图，图6 悬浮的承载结构的第五实施例的等轴示意图和侧视示意图，图7 悬浮的承载结构的第六实施例的侧视示意图。
图1示出了本发明构思的第一实施例的示意图。承载结构元件1的中空体2充有气体或混和气体，下面称为轻气，其比空气轻。约95％由惰性气体氦组成的不可燃的气球气体例如可以作为填充介质。但比温度较低的冷空气具有更小的单位重量的例如为100℃的热空气也属于轻气的概念。几何形状相似的、充有轻气的、具有相同比例和为相同单位面积载荷设计的承载结构元件1从一定大小开始悬浮。承载结构元件1的浮力由于体积相对于长度和表面超比例的增长而从该大小开始变为正的，轻气的浮力补偿承载结构元件1的自重。该大小取决于承载结构元件1的自重，也就是所使用的材料和材料量、以及供使用的可充气容积和所使用的轻气。承载结构元件1越大，其自重与轻气体积浮力的比例越小并且承载结构元件1的浮力就越大。在根据D3的具有长度L与直径D的固定比值为10、为大单位面积载荷100kg/m2设计的承载结构元件1中，如果中空体2用气球气体填充的话，那么从大约50米的长度开始，浮力大于自重。为较小单位面积载荷而设计的承载结构元件1在相同的比例下相应较轻，自重在小得多的长度L时就已经被浮力补偿。如此构造的作为固定的承载结构元件1的梁也根据尺寸的确定很轻，或具有净浮力。在图1中示出的该第一实施例中，具有压杆3和拉元件4的单个悬浮承载结构元件1作为具有无支承的内部空间的大帐篷的栋梁。顶棚由在侧面张紧在支架上的防水外罩7构成。帐篷的由外罩7覆盖的部分在图1中为更好的示出以非虚线示出。
顶梁附加地还可以通过轻支架在其端部被支承，这样就可以被保持同地面的固定距离。这些支架不仅可以将承载结构元件1拉向地面，而且还可以平衡较小的浮力变化。
这样的帐篷具有如下优点，即整个内部空间没有支柱，并且其可以非常简便快速地竖起。在帐篷在地面上被安装之后，承载结构元件1的中空体2可用轻气填充，之后帐篷自动竖起。使用直接在承载结构元件1上和防水外罩7的所有侧面上的绳索固定装置9，该结构被固定在地面上，并抵抗起作用的风力。悬浮的顶棚可以事后轻易地被移至另一位置。
图2示出了由悬浮承载结构元件1构成的悬浮顶棚的第二实施例。在两个通过多个弓形横梁11彼此连接的纵梁10上张紧一个防水外罩7，这样就形成了一个桶形顶棚。在等轴视图2a中为更好的示出放弃了示出外罩7。横梁11的端部例如通过外部的拉元件12彼此连接。在本实施例中，具有两个纵向承受压力和拉力的元件，下面称为压/拉元件5的元件被选为横梁11。例如钢杆可以用为压/拉元件5。此外，该结构通过成十字状地从横梁11到横梁11延伸的交叉连接件13加强和稳定。其他的用于稳定承载结构的绳索张紧装置对于技术人员是公知的。根据承载结构元件1的数量和尺寸，浮力本身可能不足以将整个顶棚与防水外罩7一起悬浮并且将顶棚以足够的浮力储备保持在空气中。在该情况下，为提供附加的浮力，在桶形拱下面设置一个浮力体8，并充以轻气。该浮力体8可以由一种轻的不透气的薄膜制成，例如通过粘接上的紧固垫板固定在横梁11上。为了简化在承载结构元件1上的固定，浮力体8可以例如也可用网包覆。浮力体8的另一个技术人员常用的结构方式具有双层结构，具有一个外部的低延展性的外罩和一个置于其内的不透气的弹性的用于容纳轻气的气囊。在所示的实施例中，浮力体8被设置在横梁11之下，并环形地包围外部拉元件12。图2b示出了本实施例的AA截面图，其中在此示出了外罩7。外罩7通过可松开的连接被固定在纵梁10上。
图3示出了悬浮的顶棚的第三实施例。多个承载结构元件1通过连接件25连接并且形成一个圆圈或一个类似于椭圆形的形状，在其上通过四个附加的弓形承载结构元件1设置类似于拱顶的四个支柱。在俯视图3a中再次省略的防水外罩7被在拱顶上拉开，并被固定在承载结构元件1上，如图3b示出的那样。附加的浮力还可以通过一个或多个附加的充有轻气的浮力体8提供，所述浮力体8不是承载结构的一部分。在该第三实施例中，一个这样的浮力体8在拱顶下固定在承载结构元件1上。重要的是在设计悬浮结构时要注意稳定的飞行状态。为防止或至少使该结构在自由悬浮时难以倾翻，明显的要使重力重心位于浮力重心之下。
图4示出了承载结构元件1的一个实施例的细节，在此其具有两个直径方向对置的压/拉元件5。一方面，承载结构元件1的中空体2可以直接用轻气填充。另一方面，为调节浮力和简化该结构在地面上的竖立，值得期望的是可以将承载结构元件1的中空体2用空气或轻气以连续的混合比例填充。为不用空气污染宝贵的轻气并使其不能再被利用，图4中在通过柔性的低延展性的外罩15构成的中空体2中示出了两个不透气的气囊，即分别具有至少一个自己的阀门16的一个空气气囊14和一个轻气气囊24。两个气囊可以在压力下基本上占据中空体2的整个容积。空气气囊14和轻气气囊24为此目的或由弹性材料制成，或被分割得足够大。轻气气囊24被确定为容纳轻气，而空气气囊14被用作空气容器。通过这种布置将空气或轻气泵入或泵出(所谓的气囊原理)，可在填充空气和完全填充轻气之间进行全部的分级调节。图4a示出了处于悬浮状态的承载结构元件1。占据中空体横截面绝大部分的右侧的轻气气囊24充有轻气，左侧的空气气囊14充有空气。在图4b中，空气气囊14占据了中空体容积的绝大部分。承载结构元件1的浮力相对于图4a中的情形被减小。
如图5的横截面图示出的那样，代替承载结构元件1的中空体2，用低延展性的薄膜或网撑开的附加的空腔17在由承载结构元件1构成的例如为矩形的框架之间也可以类似地包含一个轻气气囊24和一个空气气囊14，它们可以相互排挤并且分别各自占据整个空腔17。上部的外罩18构成防水的、不透风的顶棚，并可以由防水的、低延展性的柔性材料制成，而对下部的外罩19出于重量原因也可以使用低延展性的网。上部和下部的外罩18，19与承载结构元件1共同构成空腔17。一个例如支承在地面上的或定位于车辆上的调节和控制装置20通过连接线路21与悬浮的和以绳索固定装置9固定于地面上的顶棚连接。该连接线路包含至少两个分别用于轻气和压缩空气的气体管路以及可能的用于传输传感器数据或控制命令的附加数据线以及供电线路。调节和控制装置20例如包含轻气存储器、用于空气和轻气的压力泵、用于处理布置在承载结构中的传感器的测量数据的电子仪器，所述传感器测量与浮力相关的参数、如中空体2内部和外部的温度和压力，以及在绳索固定装置9上的力。可将悬浮的承载结构的浮力通过上述的浮力变化方案保持恒定的电子控制装置对于技术人员是公知的，所以就不再详述。图5中示出的实施例可以通过多个对称分布的轻气气囊24和空气气囊14实施，从而在改变轻气和空气体积时不会发生浮力分布的重大变化。通过将空腔17不是如图5中垂直地而是水平地分割，使用两个气囊达到了这种对称，其中轻气气囊24和空气气囊14在空腔17的整个水平长度上延伸。
一个根据图5的顶棚的实施方式也包含在本发明构思中，其在空腔17中不具有气囊14，24，其中空腔17通过不透气的薄膜构成，并可直接被充有轻气。
图6示出一个自由悬浮的、自定位的防雨防晒顶棚。在前面的实施例中，悬浮的顶棚结构与系留气球相似例如被绳索固定装置9固定在地面上并保持位置。可以在顶棚浮力不足的情况下负担产生的剩余重量负荷的、由此使昂贵的浮力调节装置变得多余的支柱也是可以想象的，并符合本发明的。在例如用于足球场的可暂时使用的顶棚的情况下，该支承和定位的作用也可以通过固定装配的看台顶棚来承担。图6示出的顶棚实施例是完全自由悬浮的，没有传力的地面接触。十字形的承载结构元件1用外罩7覆盖。外罩7在附图中为了更好的清晰性而只是被勾画出，并被透明地示出。悬浮顶棚的本实施例涉及的是真正的可控制的、机动化的飞行体，其借助于多个可垂直和水平完全摆动的、用马达驱动的螺旋桨推进器22可改变飞行高度、速度和方向。在本实施例中示出了其中的四个，但多于或少于此的可完全摆动的驱动装置也是符合本发明的。飞行高度一方面可以直至一个确定的程度通过向上或向下指向的螺旋桨推进器22动态地确定，另一方面也可将图4和图5中描述的具有轻气气囊24和空气气囊14的系统用于静态的浮力改变。作为简化可以在空气气囊14中使用泵产生或多或少的压力，这样空气也占据或多或少的容积，从而浮力可以被改变。定位系统23测定顶棚的实际位置。图6a中示出了具有位于地面上和顶棚上的发送/接收器的基于地面的系统。定位例如也可以使用用于定位的基于卫星的导航系统、用于测量飞行高度的地面雷达或者对在地面和顶棚之间的无线电信号或声信号的运行时间测量装置来确定高度和位置。其他用于位置确定的方法对于技术人员是公知的，例如图像处理方法，其处理用视频或周期性产生的静止图片，与理论状态比较并计算任何时候必须的校正或向基于地面的激光定向。该实施例与飞艇的区别尤其在于其水平方向上大的、扁平的伸长，以及同时小的迎风面积，以遮盖尽可能大的面积。
有许多具有大幅面宽度的悬浮顶棚结构的使用方案。几个典型的实施例是礼堂顶棚、屋顶工人工作中的暂时保护顶棚、半开的体育场的暂时的完整顶棚、对事故地点如飞机坠毁处的快速暂时安装顶棚、对露天活动的防止恶劣天气的顶棚等。其他的使用方案是只为了装配才被悬浮的顶棚。只要顶棚正确定位于例如支柱上，在中空体中的轻气就可以被空气替代，由于减少的轻气使用，这可以对较长时间地对这种顶棚的操作极为经济地构成。即使顶棚的支承物，无论是支柱还是壁都必须被构成得比在永久悬浮操作中更为稳固，但不使用起重机的简单快速的装配的优点仍然存在。
图7中示出了悬浮承载结构的另一应用和实施例。D6公开的具有气动的支架的桥梁在承载结构元件1的中空体2中被配有附加的轻气气囊24，并在需要时以在图7中不可见的、位于支架之间和轨道之下的附加的外部浮力体8被扩展。这样的桥梁可以作为紧急桥梁或辅助桥梁被构造于要跨越的障碍的一侧上来悬浮，即用轻气填充(图7a)，并接着容易地被推过或拉过障碍，并被定位于支架上。只要桥梁达到位置，轻气就可以从轻气气囊24中被泵出，中空体2可以用压缩空气加载(图7b)。在此，这样的承载结构当然也要能够稳定地悬浮。因此在桥梁中，必须在事后才装配轨道，因为否则该结构过沉或上部过载，而不能稳定地悬浮。如果该桥梁在装配过程中例如在一侧上在两个承载结构元件1的端部上被导向，并被防止倾翻，那么该桥梁也可以以不稳定的平衡被定位，而不会倾翻。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.承载结构，由至少一个承载结构元件(1)构成，该承载结构元件(1)-具有不透气的、可通过压缩气体加载的、长形的由柔性材料构成的中空体(2)，-此外还具有至少两个压/拉元件(5)，-其中所述的至少两个压/拉元件(5)在其端部传力连接地彼此相连，-并且其中可被施加压力的压/拉元件(5)沿着所述中空体(2)的外形轮廓线贴置在其上，并与其传力连接，其特征在于，所述中空体(2)被用气态的比空气轻的介质加载。
2.按权利要求1所述的承载结构，其特征在于，所述至少两个压/拉元件(5)中的至少一个只承受拉力，因此是纯拉元件(4)。
3.按权利要求2所述的承载结构，其特征在于，至少两个拉元件(4)在相反的旋紧方向上围绕所述中空体(2)旋转至少一周。
4.根据权利要求1至3之一所述的承载结构，其特征在于，该承载结构撑开防水的外罩(7)。
5.根据权利要求1至4之一所述的承载结构，其特征在于，在所述的至少一个承载结构元件(1)上在所述中空体(2)之外设置至少一个另外的浮力体(8)，该浮力体(8)可用轻气加载。
6.根据权利要求1至5之一所述的承载结构，其特征在于，所述的至少一个承载结构元件(1)的中空体(2)由低延展性的柔性材料制成，其中该中空体(2)包含至少一个空气气囊(14)和至少一个轻气气囊(24)，其中制造所述气囊(14，24)，使得所有的空气气囊(14)和所有的轻气气囊(24)可共同填满该中空体(2)，这样可以实现在完全用空气加载的与完全用轻气加载的中空体(2)之间的所有层级。
7.根据权利要求1至6之一所述的承载结构，其特征在于，存在至少一个空腔(17)，其由所述的至少一个承载结构元件(1)和固定在该承载结构元件(1)上的外罩(18，19)构成，其中该空腔(17)可被充以轻气。
8.根据权利要求7所述的承载结构，其特征在于，所述的至少一个
权利要求
1.承载结构，其由至少一个承载结构元件(1)构成，该承载结构元件(1)-具有不透气的、可通过压缩气体加载的、长形的由柔性材料构成的中空体(2)，-此外还具有至少两个压/拉元件(5)，-其中所述的至少两个压/拉元件(5)在其端部传力连接地彼此相连，-并且其中可被施加压力的压/拉元件(5)沿着所述中空体(2)的外形轮廓线贴置在其上，并与其传力连接，其特征在于，所述中空体(2)可用气态的比空气轻的介质加载。
2.按权利要求1所述的承载结构，其特征在于，所述至少两个压/拉元件(5)中的至少一个只承受拉力，因此是纯拉元件(4)。
3.按权利要求2所述的承载结构，其特征在于，至少两个拉元件(4)在相反的旋紧方向上围绕所述中空体(2)旋转至少一周。
4.根据权利要求1至3之一所述的承载结构，其特征在于，该承载结构撑开防水的外罩(7)。
5.根据权利要求1至4之一所述的承载结构，其特征在于，在所述的至少一个承载结构元件(1)上在所述中空体(2)之外设置至少一个另外的浮力体(8)，该浮力体(8)可用轻气加载。
6.根据权利要求1至5之一所述的承载结构，其特征在于，所述的至少一个承载结构元件(1)的中空体(2)由低延展性的柔性材料制成，其中该中空体(2)包含至少一个空气气囊(14)和至少一个轻气气囊(24)，其中制造所述气囊(14，24)，使得所有的空气气囊(14)和所有的轻气气囊(24)可共同填满该中空体(2)，这样可以实现在完全用空气加载的与完全用轻气加载的中空体(2)之间的所有层级。
7.根据权利要求1至6之一所述的承载结构，其特征在于，存在至少一个空腔(17)，其由所述的至少一个承载结构元件(1)和固定在该承载结构元件(1)上的外罩(18，19)构成，其中该空腔(17)可被充以轻气。
8.根据权利要求7所述的承载结构，其特征在于，所述的至少一个空腔(17)包含至少各一个空气气囊(14)和一个轻气气囊(24)，其中所述气囊(14，24)使得所有的空气气囊(14)和所有的轻气气囊(24)可共同填满该空腔(17)，这样可以实现在完全用空气加载的与完全用轻气加载的空腔(17)之间的所有层级。
9.根据权利要求6或8之一所述的承载结构，其特征在于，所述中空体(2)或空腔(17)是不透空气的并可用压缩空气加载，其中在其内部存在至少一个轻气气囊(24)。
10.根据权利要求1至9之一所述的承载结构，其特征在于，存在将该承载结构无力传递的地面接触地保持在恒定位置和恒定高度上的装置。
11.根据权利要求10所述的承载结构，其特征在于，所述装置包括-至少一个具有螺旋浆推进器的可摆动的驱动装置用于移动所述的承载结构，-一个浮力改变装置，-此外还包括具有用于测量位置和飞行高度的传感器、信号发生器和分析处理电子仪器的位置确定装置，-以及用于遥控地移动所述承载结构或使所述承载结构占据和保持理论位置和理论飞行高度的控制和调节装置。
12.将根据权利要求1至11之一所述的承载结构作为顶棚的应用。
13.将根据权利要求1至11之一所述的承载结构作为自动竖立顶棚的应用。
14.将根据权利要求1至9之一所述的承载结构作为桥梁的应用。
全文摘要
一种悬浮的承载结构由气动的承载结构元件(1)构成，该承载结构元件(1)由一个长形中空体(2)、压杆(3)和拉元件(4)组成，其中中空体(2)用比空气轻的气体加载。在一个第一实施例中，单个的这样的悬浮的承载结构元件(1)用作具有无支承的内部空间的大帐篷的顶梁。顶棚由在侧面上张紧在支架上的防水外罩(7)构成。外罩(7)和承载结构元件(1)用绳索固定装置(9)固定在地面上。
文档编号B64B1/00GK1875159SQ200480031731
公开日2006年12月6日 申请日期2004年6月24日 优先权日2003年8月27日
发明者R·H·卢赫辛格 申请人:未来概念公司