阅读说明：本技术 用于加强浮空器的系统和方法 (System and method for reinforcing aerostat ) 是由 安德烈·奥古斯托·塞瓦略斯·梅洛 于 2018-02-19 设计创作，主要内容包括：本发明论述了一种用于结构支承和网络互连的故障安全浮空器系统,该故障安全浮空器系统能够适用于基于轻于空气的升力的许多系统。本发明描述了具有加强结构和优化连接的系统和一体化结构(加强的一体化结构(2)),从而通过故障安全设计对一个或多个氢气室进行加强。理论结构是足够坚固的以承受爆炸力,从而避免冲击波损坏和火灾的蔓延,并且一个或多个氢气室(1)自动地自控,独立地操作以获得升力和多参数控制。(The present invention discusses a fail-safe aerostat system for structural support and network interconnection that can be adapted to many systems based on lighter-than-air lift. The invention describes a system and a unified structure (reinforced unified structure (2)) with a reinforced structure and optimized connections to reinforce one or more hydrogen chambers by a fail-safe design. The theoretical structure is strong enough to withstand explosive forces to avoid shock wave damage and spread of fire, and one or more hydrogen chambers (1) are automatically self-controlled, operating independently to achieve lift and multi-parameter control.)

用于加强浮空器的系统和方法

技术领域

轻于空气的飞行器的新概念将氢气安全概念带入材料水平、以及架构在宏观尺度和微观尺度方面的设计。此外，该概念的简单性允许高度一体化，从而提供氢气的使用的实际实施。

该技术可以应用于任何浮空器。浮空器是一种轻于空气的飞行器，该飞行器通过使用浮动气体来获得升力。浮空器通过填充有比周围空气的密度小的提升气体的大的封围件来获得升力。

背景技术

飞艇所使用的两种主要提升气体是氢气和氦气。氦气在地球上是相对稀少的；然而，氢是地球表面上的第三丰富的元素，主要是以诸如碳氢化合物和水之类的化合物的形式存在。氢是地球上最轻的元素，并且可以容易且成本有效地获得。氢气具有巨大潜力来作为未来一代车辆的清洁能源。从生产到使用的整个转换链中，使得气候和环境清洁。

氢气飞行器的概念的主要问题在于氢的可燃性。自从1922年美国陆军飞艇在罗马坠毁以来，除了著名的兴登堡灾难外，许多架氢气飞行器因火而被摧毁，北美飞艇并没有填充氢气。使用氢气作为客机的提升气体在20世纪30年代末完全被放弃。

氦气的不可燃性质使得氦气成为轻于空气的飞行器的唯一实用的提升气体，但是氦气是稀缺且昂贵的，并且氦气的使用会使刚性飞行器的有效载荷减少一半以上。当基于浮力结构的加强和一体化而设计新一代浮空器时，可以克服先前的最先进技术的性能缺陷，这可以使新一代浮空器在灾难面前更加安全且更具弹性并且允许浮空器更有效率地飞行。

这种轻于空气的飞行器在世界范围内遭受巨大损失，因为这种轻于空气的飞行器没有从根本上改进结构并且没有将氢气安全作为浮空器工业中的最终解决方案。

故障安全设计在特定类型的故障的情况下响应，以便停止或最小化对结构和其他设备、对环境或人的损害。系统的设计避免或减轻了系统故障的不安全后果。在此所描述的各种实施形式实现了具有抵抗故障的能力的浮空器的安全使用方法，该安全使用方法平衡了格子结构的特殊性能、拉伸完整性、膜结构、以及通过计算算法设计的所谓的汞黝矿结构(schwarzites)的多孔结构，同时通过使用氢气作为浮动气体而获得升力。氢气的经济性、氢气对环境和气候的重要性、以及其轻盈性和结构强度所形成的组合显著地扩大了轻于空气的飞行器的潜力，以便实现浮空器的更广泛的使用。

本发明通过提供一种浮力平台来实现该目的，该浮力平台包括故障安全结构，从而能够安全地使用氢气作为浮动气体。

发明内容

本发明集中在未来的轻于空气的飞行器的结构架构。一体化浮力结构(IBS)终端提供模块化和安全浮力平台以提供真正高效的架构，该架构是出于不同的目的通过各种高度的接口构建而成的，构建有将轻质架构与强度和空气动力学完全结合的多维度平台。IBS包括这样的特征：该特征使项目中使用的设计效率最大化，并使多模块结构中结构和材料资源的管理简单化。

根据以下考虑提供一种浮力平台。

加强的一体化结构(例如，壳体花边壳、网壳、膜结构、张拉整体结构、格子结构、网状结构和汞黝矿结构)增加了安全性并且允许在各个部分中针对不同的压力进行调节。

更具体地，浮力平台也可以以模块构型安装，将具有浮动区段、可选地具有一体化加强结构等的各个部分组合以便提供端部平台。

此外，该概念的简单性允许高度一体化，高度一体化提供氢的安全使用的实际实施。

至少具有不透气的盖元件的氢容器由耐压和耐火材料制成，并且可以与连接的一体化结构一起使用。浮动体彼此分开并以静止方式连结，以提供彼此分开的一个或多个室，所述一个或多个室可以填充氢气。

该结构可以由柔性材料(例如，阻燃的间位芳族聚酰胺)、刚性材料(例如，金属合金的纳米结构)或半刚性材料(例如，气凝胶)制成。

本发明的浮力平台不限于浮空器，而是可以基本上用于任何目的，例如用作发射和着陆垫、防卫应用、监视、科学和观测操作、设备和机械基地、风能提取、减少影响的森林管理，可以用于执行任务比如近空间搜索，将成本保持成远低于低地轨道卫星，可以用于运载旅游团队和科学团队的乘客、进行气象测量。运载设施包括无线电传输、基础设施网络、运输、物流和配送、客运、灾害援助、紧急救援服务、森林防护、灭火、设备基地和起重设备以及其他用途。

理论上，除氢之外的气体可以用于填充浮动体。其他廉价气体比如甲烷、一氧化碳、氨和天然气具有较低的提升能力并且是易燃的、有毒的、腐蚀性的或所有这三者(氖比氦更贵且提升能力更小)。操作考虑因素影响了适航性项目中提升气体的实际选择，操作考虑因素比如为：是否可以在飞行中经济地获得和产生提升气体以用于浮力控制(比如，用氢气)，或者提升气体是否可以甚至生产作为副产品。

出于成本和可行性的原因，氢气是选择的气体。

浮动体的材料没有特别限制。

在一些实施形式中，由间位芳族聚酰胺聚合物制成的膜可以用于提供所需的柔性、以及对压力的足够耐受性和拉伸强度，并且同时确保了可扩展性在加压状态下是受限的。

在一些实施形式中，该结构可以基于纳米结构的金属合金、碳纤维、气凝胶或轻质材料。该材料的机械性能包括弹性强度、拉伸张力、抗疲劳性、抗裂性和其他特征。本发明的另一优点是整个平台可以用轻质的部件构建而成。

在一些实施形式中，一体化浮力结构(IBS)方法将超刚性的材料和超强材料(比如，气凝胶和纳米结构的金属合金)组合，提供比常规材料更大的抵抗力。高度优化的梁构架允许前所未有的自由度，以适应超轻格子结构的机械性能。

在一些实施形式中，该系统的特征将在于模块化格子结构模型，其中，不同技术的材料比如气凝胶、间位芳族聚酰胺、纤维或碳膜、纳米结构的金属合金和其他新材料可以组合到共同的平台中以便针对不同的环境和提升需求而以理想的方式彼此补充，本发明的IBS终端的结构架构是一组稳健的解决方案：该解决方案提供了一种通过共同的模块化部件构建浮力提升平台的方式，共同的模块化部件在技术上被称为“具有更为技术的含义的氢气室(HC)一体化浮力结构(IBS)”。

在一些优选的实施方式中，加强的一体化结构被制造成棱柱形，并且浮动体像蜂窝一样对称地布置。格子结构在重量轻的情况下为扭转和弯曲提供高刚度。

蜂窝结构涉及形成受控的内部限制以阻挡移位运动。这种策略总是会破坏延展性以及材料变形、拉伸或永久性变化的能力，而不会损坏。

我们提出了具有内部限制的模块化项目的工程方法，特别地涉及格子结构、张拉整体结构和膜结构、网络结构和汞黝矿结构。此外，我们还论述了对加强和保持轻盈性的观点、以及用以提高容错性和增强稳定性的可能应用。

由本身具有格子结构系统的结构元件组成的系统受益于显著改善的机械性能、高强度特性、轻盈性和更大的抗裂纹扩展性。

为此，本发明的平台的一种形状是蜂窝状。

每个上述结构模块均是可扩展的、可升级的、可重新成形的和可移除的开放模块。

每个上述结构模块设计成允许航空工业和工程师加速创新、差异化的安全平台模型的发展，以实现轻盈性和稳健性的结合。

本发明的一个实施形式是这样一种系统：该系统包括具有气体隔室的浮力结构、以及加强装置，该加强装置将轻于空气的气体用的一个或多个隔室(氢气室)结合成整体。

另外，在一些实施方式中，本发明的氢气室(HC)的结构的构架是一个或一组开放结构模块，所述一个或一组开放结构模块是明显可变的、相互包容的，并且能够用作单元件或成组地用作基于模块化架构技术的用于未来浮空器项目的系统，使得结构可以支持不同的安全标准并且将各种模块化部件结合在灵活且经济的架构中。通常，格子结构可以被认为是任意重复的室结构，其具有一致地或以具有一些变化的方式重复的拓扑结构或基本结构。格子结构提供了一种显著降低这种复杂性的方法。使用常见的蜂窝拓扑来填充设计的空间。蜂窝结构是具有蜂窝的几何形状的结构，以允许使用于实现材料的最小重量和最小成本的材料的量最小化。蜂窝结构的几何形状可以广泛地变化，但是所有这些结构的共同特征是在薄的竖向壁之间形成的中空单元的矩阵。室通常呈柱状和六边形的构型。

其他示例是基于鸟的骨骼的仿生设计。骨架部增加了材料的强度和柔性，但通过该方式，其将结构化元件以成层的方式沉积。除了结构层次和高强度的构成之外，骨架部可能会以略微不同的形状、大小和角度逐步形成。骨架部在许多方向上增加了对重量的抵抗力：竖向、水平和对角线，并且这种内部可变性使得骨架部在发生事故时更具抵抗力。骨架部的外部是实心的，但骨架部的内部是空的。这使骨架部较轻且易于移动，并且也非常稳固。为此，骨架部具有相当刚硬的外表面。在宏观和微观设计方面的分隔包括这样的格子结构：该格子结构连接较大的周边部，从而在两个固定点之间形成坚固而有效的结构。微观元件模仿鸟骨骼的分隔，用格子结构填充开放空间。最终设计是一种网型图案，其形成优化载荷支承点的网络。最终的构型需要最少的材料，壁应尽可能地轻并且应当占用最少的空间，并且确保封围氢气的三维空间的数目。

张拉整体结构是基于几种简单设计式样的组合：仅以纯压缩力或纯张力加载的构件，该构件允许线缆在张力下被拉紧且具有机械稳定性，从而使得构件能够随着结构上的应力增大而保持被拉紧/压缩。

单个表面结构技术被称为壳结构、壳体花边结构、网壳。结构和制造技术将数字建模、数字分析与激光切割制造经济相结合，从而将平板材料转变为自支承结构。迭代分析产生高效的结构，该高效的结构响应环境并使重量和浪费最小化。壳体花边结构是通过曲率、波状部和孔而被优化的。这项技术的灵感来自于自然；壳从曲线形的几何形状中获得巨大的强度，从而随着时间的推移在薄层中、仅在它们所需要的位置增长。曲率和波状部会产生刚性。这些孔通过去除结构不需要强度的位置处的材料而使重量最小化，从而带来轻盈性。这有助于本发明的平台的生产，因为可以仅将少数不同的模块专门组合来为设计项目提供最合适的平台。

与其他示例一样，该示例仅用于说明目的，而并不以任何方式限制本发明。本领域的专业人员将理解到，可以在不偏离本发明的广义构思的情况下，在上述实施形式中进行改变。因此，应当理解的是，本发明不限于所描述的特定实施方式，而是旨在涵盖如由权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改。

例如，膜结构也可以设置在浮动体内。

膜结构是由张紧膜制成的空间结构。膜的结构用途可以被分为气动结构、牵引膜结构和线缆圆顶状件。在这三种类型的结构中，膜与构造件的线缆、柱和其他构件一起工作以获得构型。

显然，在任何一个或更多个水平中可以无限地使用不同形状和/或连接件，以形成可以具有不同属性的无限数目的结构(例如，壳体花边结构、网壳、膜结构、张拉整体结构、格子结构、网状结构和汞黝矿结构)。详细列出可以这种方式构建的结构的全部范围超出了本工作的范围。

除了上面讨论的基于几何形状的多样性之外，对于给定的几何形状，可以通过不同的部件和/或系统在不同延伸中的扩展级别而引入另外的多功能性。

显然，对于任何给定的几何形状，存在可以进行的许多变型，所述许多变型可以对系统的总体性能产生影响。

在此呈现的概念可以用于具有各种性质和机械应用的更广泛的系统中。

这些系统最有趣的特征之一是这些系统可以设计成具有可变的室尺寸和/或形状(图2)。

在此示出的性能与比例无关，这意味着该概念可以从微观尺度到宏观尺度以任何比例长度使用。在此提出的工作的局限性在于该系统是基于模型的。例如，系统应该代表理想的故障安全系统，例如，(在图7)中，故障安全系统是具有相同形状和尺寸的完全刚性的方形件。

在此提出的系统可以例如通过使用膜结构而以稍微不同的方式设计。在这项工作中，我们提出了一种新的基于结构的飞艇系统，该飞艇系统基于具有加强的一体化机构的结构。已经表明，这些系统表现出广泛的性能，包括增大性能、以及具有使具有不同尺寸的室可以在几个延伸部中敞开的能力。

附图说明

图1是本发明可以在其中操作的系统的功能框图；

图2是根据本发明的示例性实施形式的具有格子结构的多个氢气室的剖面图；

图3是根据本发明的示例性实施形式的具有格子结构的多个氢气室的示意图；

图4是根据本发明的基于几何形状的多样性的示例性实施方式的具有基本六边形构型的氢气室的剖面图；

图5是根据本发明的示例性实施形式的具有格子结构的多个氢气室的剖面图；

图6A是根据本发明的示例性实施形式的多个氢气室的局部立体图；

图6B是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的剖面图；

图7是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的立体图；

图8是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的剖面图；

图9A和图9B是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的壁表面的图示；

图9C是根据本发明的示例性实施形式的加强的一体化结构的立体图；

图10A是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的立体图；

图10B是根据本发明的示例性实施形式的多个局部加强的一体化结构的局部立体图；

图11是根据本发明的示例性实施形式的多个加强的一体化结构的剖面图。

具体实施方式

一体化浮力结构(IBS)高度耐受物理损坏、适用于飞行器，并且具有使用氢气作为提升气体以产生足以用于飞行的静态升力的能力、以及具有提供几乎零灾难性故障模式的特殊设计，该一体化浮力结构的固有简单性使其相比于现有技术的浮空器具有优点。受大自然的启发且专为氢气的安全使用而设计的浮空器将根据各个设计师的需求进行定制。通过针对每个目的提供不同级别的设计，IBS可以实现差异化的结构需求以实现成功的目的，从而使更多的人能够获得浮空器的益处并实现环境可持续性。

在一些实施方式中，氢气室(HC)可以处理作为单独的结构。众所周知，由网状栅格施加的边界条件基本上影响***可产生的能量的量并且应该被认为是板的材料的变形率。在一些实施形式中，室承受超出早期火灾和***条件的限制，靠近***或火灾所施加的侧向压力不能从一个浮动体被传递至下一个浮动体，如同在通过分隔壁提供分隔时的情况一样。

在一些优选的实施方式中，在一个或多个摄像机中产生的不同浮力传递了平台如何具有浮动稳定性。另外，一个或更多个氢气室(HC)可以附接至加强的一体化结构件，加强的一体化结构件例如为由具有低密度和高强度的材料制成的格子结构，具有低密度和高强度的材料例如为具有纳米结构的金属合金。

一方面，加强的一体化结构件在氢气室完全损坏的情况下增加了安全性，同时另一方面，加强的一体化结构件有助于浮力平台的一体化以及浮力平台在操作中的氢分布。

该方法描述了网状地连接的一个或多个氢气室的模块化重新布置方案，其能够改变所述一个或多个氢气室的互连。

所提供的一个示例是一组氢燃料室，所述一组氢燃料室中贮存有高安全性的氢气，并且例如可以制造成具有以正交的方式规则地设置的棱柱形状并且设置在一体化加强结构中，且制造成呈格子形状。

本发明的一个目的是提供一种新型氢燃料室，该新型氢燃料室具有非常高的容积效率，同时能够承受气体的压力并能够改变压力，并且同时该新型氢燃料室允许室被制成任何尺寸且在三个空间方向中的任一方向上具有模块化延伸。

另外，本发明的另一目的是提供一种浮力结构，该浮力结构包括高容积效率并且防止室的火灾或***蔓延，从而允许辅助加强结构的一体化。

本发明的另一目的是提供一种适于允许浮力控制的容纳件。

另一目的是提供一种室的概念，该室是模块化的且能够借助于重复和模块化的元件而按比例扩展至任何尺寸。

在下文中，将参照附图对本发明的技术构思进行更详细地描述。

然而，附图仅是示出的一个示例以更详细地说明本发明的技术构思，因此，本发明的构思不限于附图。

可以将基本的六边形构型修改为更一般的棱柱形构型。

使用与生成性设计相关的为此提供不同水平的容积、空气动力学和浮力的新的创新方法，所得到的设计针对性能和重量进行了优化并且可以根据期望的应用的需要而设为刚性或柔性的，所有这些设计都旨在以较低的成本提供灵活和定制的选项，并提供高安全性的轻于空气的飞行器。专注于计算能力以基于设计人员定义的参数找到优化设计解决方案的生成性设计过程不仅是一种提高设计质量和性能的方式，而且还能够显著降低成本和减少材料，以试图优化制造策略。

在一些实施形式中，每个氢气室(HC)的模块化结构具有其自己的内部微控制器，该内部微控制器记录相关的物理参数，比如室的温度和浮力状态。因此，每个氢气室(HC)了解其处于什么状态。氢气室(HC)通过氢气室(HC)之间的无线布线或布线、比如网络通信而进行彼此通信。氢气室还可以与其他设备比如车载计算机进行通信，该车载计算机使用来自室的数据来计算氢气室(HC)具有的浮力的量、室的状态。如果一个室是空的但其他室仍贮存有氢气，则浮空器不需要停止，因为具有较低容量的氢气室(HC)不太可能影响一体化浮力结构(IBS)的总体幅宽。相反，空的氢气室自身简单地从组中被拆下，以用作旁路。其他氢气室继续提供氢气，并且空的室被更换，并且在氢气室(HC)发生故障的情况下，无需将飞行器带至车间。由于浮空器可以具有多于一个的室，因此该浮空器不依赖于任何一个单独的室。另外，就维修而言，仅更换单个氢气室(HC)就足够。

在许多实施形式中，智能控制网络将感知需求并将进行完善的调整，从而根据需要提供对体积、温度、压力、氢气、稳定性、浮力和飞行控制的控制。

该网络将被结合到结构材料中。作为智能系统，它们可以执行多种功能，识别环境、使用由传感器和致动器组成的赋予结构一定水平的人工智能的系统、允许它们适应IBS的需求。

在许多实施形式中，该结构还可以包括：用于高度、位置的多个传感器、以及致动器，用以提供浮力控制和特定的飞行控制；控制系统，该控制系统伴随有计算机视觉系统，该控制系统将来自所有传感器的数据进行组合以监测它们的问题；模块或子系统，模块和子系统用于检测环境中的事件或变化并且将信息发送至其他电子部件。一体化浮力结构(IBS)带有完全冗余的系统，这意味着：如果一个系统发生故障，另一系统准备备份，这必须防止意外。这是IBS的冗余的机械系统、飞行系统、浮力系统、传感器系统和计算机系统的重要性所在。

因此，在一些实施形式中，本发明的目的是提供一种浮力平台，该浮力平台具有用于结构控制响应的智能系统和浮力特性，并且特别地具有对由于可燃性和***反应造成的影响的更好防护。

技术进步和有效装置提供了改善浮空器的新的结构系统的安全性和性能(针对天气和压力需求)的替代性方案。使用控制和监测装置来设计智能结构，不仅依赖于其自身的承受天气和压力需求的强度，而且还依赖于这些装置或系统消散动态能量而不发生持续显著的变形。除控制以外并与控制相结合地，快速且准确地评估损坏监测是至关重要的。提出了基础隔离系统(切断冲击波至结构的动能传递以及向结构的热扩散)、控制系统(使用钢筋束或支柱施加控制力以产生额外的缓冲机制)。

在一些实施方式中，智能控制将调节浮空器的浮力，由此具有像智能氢网络那样的动态响应，每个室可以在几秒内发生变化，并且智能控制可以在整个飞行中动态地响应不同的浮力水平，这意味着在大气压力和温度变化期间浮空器的浮力水平将保持恒定。一体化浮力结构(IBS)的目的之一是设计可调节至网络的智能架构，以控制浮空器的浮力、温度、压力、湿度、稳定性和飞行控制。泵送通过通道网络的氢气允许功能模块的浮力控制。例如，可以将通道比作心血管系统。

在一些实施方式中，一体化浮力结构(IBS)和响应性的氢气室(HC)将隔离、覆盖和结构性保护(受到应力和张力)与通过其脉动的一体化网络相结合，该一体化网络可以识别每个HC的特定需求并响应于每个HC的特定需求。

在一些实施方式中，格子和蜂窝结构以及一体化网络将创建强度、轻盈性和空间的完美组合。格子和蜂窝结构是轻质的且坚固的，因为格子和蜂窝结构的网络结构仅在必要时才具有电压，从而留有可用的空间。通过使用格子结构，该结构具有必要的强度，但也可以在需要时利用额外的空间。

在一些实施方式中，氢气室(HC)中的裂缝不会损坏一体化浮力结构(IBS)组合，因为一体化浮力结构具有一系列其他氢气室作为备用。网格可以将氢气在室之间重新引导。氢气可以被集中在特定的室中以进行容积控制。

在一些实施方式中，被称为一体化浮力结构(IBS)的结构是由格子结构、张拉整体结构、或空的互连的室组成的膜结构构成的开孔3D结构。除了其超低密度以外，该材料的多孔构架还为浮空器带来了前所未有的机械性能，包括从压缩恢复的性能、高压功率吸收性能、振动或冲击能量缓冲性能。

在一些实施方式中，通过使用用于交换氢气的通道、流体室和一系列管道来获得改进的系统性能，所述一系列管道像流体氢网格一样被引导穿过系统。

在一些实施形式中，管连接件从用于产生加压氢气的至少一个装置延伸，以便在浮动体上提供均匀的沉积。

在一些实施形式中，取决于使用目的，通道可以结合到硬质或软质材料中。例如，与刚性的膜相比，光滑且弹性的膜的一致性和构型更适合于结合在膜结构中，而一体化的膜结构对于格子结构平台而言又是更好的。

在一些实施方式中，可以在面板之间加设诸如通道之类的轻的纵向一体化结构，从而赋予内部结构巨大的鸟笼状或网状结构的外观。

在一些实施方式中，如果结构允许，浮动体可以具有减压阀以防止过度拉伸，从而防止浮动体在发生故障或过压的情况下破裂。

在许多实施形式中，膜状的涂覆覆盖物控制UV辐射量、湿度、温度和气体渗透性。

主要元件的详细描述

1：氢气室

2：加强连接结构

3：外壁

4：辅助加强连接零件