中性浮力航行器的制造方法
【专利说明】中性浮力航行器
[0001]本申请涉及中性浮力航行器，中性浮力航行器是指这样一种航行器，即，向该航行器提供来自较低密度(该密度低于环境密度)液体的升力，升力在合适的前提下储存在航行器的壳体内，利用推力和可移动表面来实现航行器在环境流体中的制导与导航控制系统(另外在文献中缩写为GN&C)。飞艇和潜水艇被认为是中性浮力的航行器。本申请所提出的结构可应用在上文提及的航行器类型中并且涉及与推力和控制力的作用中心相关的结构以及将上文提及的力传递到航行器上的系统。本申请中还提出了这样一种方法，通过这种方法实现了具有上文提及的结构的航行器的GN&C，而且本申请涉及在仅能应用在具有本申请所提及结构的航行器上的纵摇轴线和横摇轴线上进行船体360度定向的方法。
[0002]世界上第一个曾有的关于对航空器进行推进/引导的研究在1783年12月3日由让.巴蒂斯特.玛丽.缪塞涅尔(Jean Baptiste Marie Meusnier)提交到法国科学院，该航空器的浮力由比空气轻的气体提供。第一个动力飞艇的飞行由亨利.吉法德(HenriGiffard)在 1852 年实现。
[0003]直到今天，已经提出或建造了与推力的作用中心位置和导航控制有关的各种类型的飞艇，这些飞艇主要有:
[0004]1.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成与拖曳力作用中心相比更靠近航行器前部。质量、推力和升力的作用中心不与由拖曳力限定的轴线重合。航行器的GN&C通过移动扰流器而实现，该扰流器安装在航行器后部处的稳定水平舵(fin，翼片)上。这种类型的航行器在下文中将被称为I类航行器。
[0005]2.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成与拖曳力作用中心相比更靠近航行器的前部且与航行器的质量中心相比更靠近升力的中心和由拖曳力方向限定的轴线。航行器的GN&C通过移动扰流器而实现，该扰流器安装在航行器后部处的稳定水平舵上。这种类型的航行器在下文中将被称为2类航行器。
[0006]3.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成与拖曳力的作用中心相比更靠近航行器的前部。该推力作用中心还与由拖曳力方向限定的轴线重合。航行器的GN&C通过移动扰流器而实现，该扰流器安装在航行器后部处的稳定水平舵上。这种类型的航行器在下文中将被称为3类航行器。
[0007]4.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成与拖曳力作用中心相比更靠近航行器的尾部。推力作用点与航行器的纵向轴线重合并由一个单元所提供。航行器的GN&C通过移动扰流器而实现，该扰流器安装在航行器后部处的稳定水平舵上。这种类型的航行器在下文中将被称为4类航行器。
[0008]5.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成与拖曳力作用中心相比更靠近尾部。推力作用中心与包络线的纵向轴线重合并由一个单元所提供。航行器的稳定性通过位于航行器后部处的稳定水平舵而实现并且GN&C通过推力矢量而实现。这种类型的航行器在下文中将被称为5类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为格林?丹尼尔(GEERY DANIEL)、名称为“高机动性动力飞艇”、编号为US2005263642、以及申请日为2004年11月4日。
[0009]6.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成朝向航行器的后部更靠近重力、升力和拖曳力的作用中心。稳定性和GN&C通过改变推力的角度或大小而实现，该推力由位于航行器的后部处的推力系统提供。这种类型的航行器在下文中将被称为6类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为李仪春(LEE YEE-CHUN)、名称为“具有相关的系统和方法的边界层推进飞艇”、编号为W02009105160、申请日为2009年2月6日。
[0010]7.由多个推力单元推进的飞艇，多个推力单元位于吊舱任一侧上的沿着航行器纵向轴线的不同位置处。这种类型的航行器在下文中将被称为7类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为约翰?恩洛?布罗伊勒斯(JOHN ENLOE BROYLES)、亨利?埃蒙特?罗伯森(HENRY EMMET ROBERTSON)和西奥多?亨利?维勒(THEODORE HENRY WEILER)、名称为飞艇的改进、申请号为GB250602、申请日为1926年4月8日。
[0011]8.由成组的多个单元推动的飞艇，每个组的合成推力作用中心位于沿着航行器纵向轴线的不同位置上。航行器的稳定性和GN&C仅通过改变所产生的推力的大小与角度的关系而实现。这使得无需使用在某些情况(在航行器周围存在非常小的流或不存在流时操纵该飞行器)下具有益处的用于稳定和控制的水平舵。这种类型的航行器在下文中将被称为8类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为纳吉?伊姆雷(Nagy Imre),名称为“高速飞艇”、编号为W02005019025、以及申请日为2003年8月15日。
[0012]9.具有推力作用中心的飞艇，该推力作用中心定位成朝向航行器的前部更靠近拖曳力作用中心，并且该推力作用中心定位在与拖曳力轴线重合的位置中，升力中心也与该拖曳力轴线重合。稳定性由位于航行器后部中的水平舵提供。由航行器的纵向轴线和推力作用点所设定的与水平面垂直的方向控制通过从两个单元中的一个提供较大的推力同时在上文提及的垂直相交的平面中通过由单元提供的推力的方向变化而实现。这种类型的航行器在下文中将被称为9类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为克劳斯.托马斯(Krause Tomas)、名称为“飞艇”、编号为W02008110385以及申请日为2008年3月17日。
[0013]10.由一个推力单元推进的飞艇，该推力单元以所提供的推力的轴线与航行器的纵向轴线重合的方式定位在最前端处。控制和稳定性通过位于航行器后部上的水平舵而实现。这种类型的航行器在下文中将被称为10类航行器，对于这类航行器我们可列出如下信息:发明人为菲利普.奥古斯特(PHILIPPE AUGUSTE)、名称为“与可操纵的气球有关的改进”、编号为GB191116635A、申请日为1911年7月19日。
[0014]11.由两个推力单元推进的飞艇，两个推力单元以每个推力单元方向的轴线与航行器纵向轴线重合的方式定位在前端部部分和后端部部分处，航行器纵向轴线通过改变一个单元或两个单元的方向或通过适于航行器后部的水平舵而被引导。这种类型的航行器在下文中将被称为11类航行器。这种类型的航行器在下文中将被称为11类航行器，对于这种航行器我们可列出如下信息:发明人为布瑞克斯?沃尔夫冈(BRIX WOLFGANG)、名称为“螺旋桨驱动飞艇在每个端部上具有可变换方向的螺旋桨以进行辅助操纵”、号码DE10065385(A1)、日期 2000/12/27。
[0015]12.由包括超过两个单元的两个组推进的飞艇，每组中的一个单元位于前端部中，而另一个单元以所提供的推力的合力的轴线与航行器的纵向轴线重合的方式位于后端部中。稳定性和GN&C通过推力矢量来保证。这种类型的航行器在下文中将被称为12类航行器，对以这种航行器我们可列出如下信息:发明人为沃利斯.迈克尔.托德(VoorheesMichael Todd)、名称为“差速器止推控制系统”、申请号为US2009127385以及申请日为2008年5月6日。
[0016]目前为止现有的航行器具有下列特性和限制，这些特性和限制在与航行器的任务有关的特定条件下可被认为是缺点:
[0017]对于I类、2类航行器而言，我们观察到:
[0018]A.位于与拖曳力作用点相距一距离处的推力轴线导致在上文中提到的力的作用期间随着航行器的扭力作用。扭力被定中心在由作用点限定的线段上。上文中的趋势扭矩的方向由所提供的推力的方向和拖曳力的轴线确定。扭力的大小取决于下列因素:
[0019].相对于拖曳力大小而提供的推力的大小。
[0020].拖曳力的作用点与推力的合力之间的距离。
[0021].相对于流场力航行器的轴线而确定的线段的角度。
[0022].航行器的重心与垂直的拖曳力作用中心之间的距离。
[0023].航行器的总质量。
[0024].由航行器的重心和拖曳力的作用中心限定的线段与由拖曳力的方向限定的轴线之间的角度。
[0025]上文中的扭力趋于使航行器围绕纵摇轴线旋转。这具有限制所提供的最大推力的大小的效果并且因此具有限制最大可达到速度的效果，这是因为推力的放大由包络线抵抗弹性变形的强度所限制，该强度取决于:
[0026]?用于其结构的材料
[0027].在无框架飞艇的情况下的内部压力
[0028].包络线的形状
[0029].航行器的拖曳力系数
[0030]B.如果重心位于远离升力中心的位置，则航行器围绕横摇轴线的特定角度被确定。
[0031]C.除了在其质量的离心力的影响下垂直于首摇轴线改变方向之外，航行器还趋于围绕其纵向轴线旋转。
[0032]对于1、2、3、4、5类航行器而言，其在纵摇、首摇和横摇轴线处的角度仅通过水平舵来确定，我们观察到:
[0033]A.水平舵仅在其绕流具有令人满意的速度时才是有效的。
[0034]B.水平舵和航行器壳体的必要适配系统不利于其质量以及航行器的总质量。
[0035]C.水平舵的设计及其附接系统需要大量的总设计时间以及在生产之前对航行器的测试。
[0036]D.水平舵以及适于航行器的壳体的系统极大地有助于航行器的拖曳力系数的大小。其贡献在横向流动现象中被放大，有助于从期望路径的范围扣除和在地面上操纵航行器的困难度。
[0037]对于5类和6类航行器而言，我们观察到I类、2类、3类、4类、5类航行器的上文中所提到全部缺点加上下列下列缺点:
[0038]A.所提供的推力相对于航行器的纵向轴线的最大角度是90度；因此使推力反向仅可通过马达的反转来实现。
[0039]B.推力作用在拖曳力作用中心后面的航行器后部上，这使航行器不稳定。这些导致与用于其操纵所需要的微调结果和调节对立的较大柔性。
[0040]C.在侧风的影响下，大量的能量需要与微调结合，以使航行器克服风的影响而保持期望的航线。为此，承担这种类型的航行器的研