專利名稱：一種金屬結構的大型浮空器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種金屬結構的大型浮空器，尤其是長期漂浮在近空的一種用金 屬及合金板制造的大型金屬結構的浮空器。
背景技術：
用輕于空氣的氣體填充的航空器稱之為浮空器，浮空器一般分為氣球和飛艇兩 種，氣球一般由柔軟的氣囊裝入比空氣輕的氣體組成，飛艇是具有推進裝置的浮空器，按外 殼型式分為軟式飛艇、硬式飛艇和半硬式飛艇三種?，F(xiàn)代飛艇一般都是軟式飛艇，要保持它 們的外形，只能是通過氣囊中氣體壓力來實現(xiàn)，其主要組成部分是氣囊，在氣囊里面充滿了 比空氣輕的氣體以提供升力，另外里面還有輔助氣囊?，F(xiàn)代飛艇的氣囊由滌綸、聚脂纖維、 邁拉等人造材料織成，可有效的防止氦氣的泄漏，并具有較長的使用時間。但是，到目前為 止，人類還沒有一種可長期停留在近空(1-12千米)的大型浮空平臺，其原因是使用現(xiàn)有 氣球氣囊及飛艇氣囊的材料，制造大型浮空平臺，重量雖然輕，但不能長時間(比如幾十年 上百年停留在空中)，由于氣球及飛艇氣囊材料柔軟，壽命短、成本高、容易損壞，氣體容易 泄漏，浮空器體積過大，一旦破壞，損失巨大，所以不適合做永久性大型浮空平臺，象空中旅 館、空中城市的應用還只是設想，人類至今也沒有一個近空的永久平臺，這與人類具有載人 登月的能力和同步軌道空間站的技術極不相稱，但隨著人們的生活水平的提高，能夠停留 在空中旅游、觀光、休閑，確實是一件充滿幻想的、快樂的、浪漫的事，這種需求的愿望越來 越強烈，所以我們需要一個能夠長期停留在空中的、堅固的、不容易破壞的大型浮空器，但 浮空器越大，需用的氣體就越多，使用氦氣成本高，由于歷史上氫氣飛艇曾爆炸過，造成多 人死亡，提到氫氣作為載人浮空器的填充氣體，人們?nèi)孕挠杏嗉?，使用金屬材料做浮空器?體是一種不錯的選擇。但金屬材料雖然有堅固、使用時間長，不容易損壞等眾多的優(yōu)點，但 密度大，自重也大，填充的氦多，成本高，所以用厚的金屬板制作的浮空器還沒誕生。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有氣球或飛艇氣囊的材料作為大型浮空平臺壽命短、使用氦氣成本 高、容易損壞、不能永久停留在空中的缺點，本實用新型提供了金屬外殼作為浮空主體的大 型浮空器可以安全使用氫氣作為浮空器填充氣體的方案，實現(xiàn)了一種長壽命、抗破壞能力 強、不容易泄漏氣體、廉價的大型浮空器，為空中旅館、空中城市、空中太陽能電站、空中風 力發(fā)電站的實現(xiàn)鋪平道路，即使使用氦氣，雖然成本較高，但長期使用平均下來成本自然就 降低了，使用氫氣就不存在這一問題。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是1、解決浮空器堅固、安全、成本低的方案采用厚金屬板制造浮空器主體+浮空器 內(nèi)部大體積+填充廉價氫氣。為了使浮空器主體經(jīng)久耐用，浮空器的外殼即浮空器主體采用較厚的金屬板制 造，在浮空器主體內(nèi)填充較輕氣體，氫氣或氦氣都是很好的選擇，通過增大浮空器的體積來重量和載荷的重量，金屬板的厚度可以大于0. 5毫米以上，這 樣就實現(xiàn)了鋁合金板、鋼板等高強度的材料制造浮空器的主體，也就是可以先確定浮空器 主體的厚度和載荷的重量，再計算需要多大體積的浮空器，這樣浮空器主體采用較厚的金 屬板，一般都能通過調(diào)節(jié)體積來滿足要求，在浮空器中填充氫氣或氦氣，如果考慮成本，充 入氦氣的成本高，充入氫氣的成本低，由于使用了高強度的金屬板制造浮空器的主體，在浮 空器主體內(nèi)充入氫氣也非常安全。2、載荷承載方案為了使浮空器能夠承載載荷，在浮空器主體上，有多條弧形連接 帶與浮空器主體相連，弧形連接帶可以連接載荷；也可用多條水平連接帶與浮空器主體連 接，水平連接帶也可以與載荷連接；也可以采取多條水平連接帶與多條弧形連接帶交叉連 接在一起，再與載荷連接的方式，這是載荷分配在浮空器主體上最均勻的方式；在載荷與浮 空器主體之間通過垂直連接條連接，垂直連接條一端連接在載荷上，另一端連接在水平連 接帶上或弧形連接帶上，也可同時連接到水平連接帶和弧形連接帶的交點上。3、能源方案為了解決浮空器的能源問題，在浮空器主體上布置有太陽能電池，在 浮空器主體適當位置布置有風力發(fā)電機。4、浮空器氣體安全方案為了保障浮空器的充入的氣體在出現(xiàn)故障時減少泄漏 量，在浮空器主體的內(nèi)部，必須采用一定的結構來實現(xiàn)這些功能，本實用新型采用的薄片材 料將浮空器主體內(nèi)部空間分割成多個氣室，每個氣室相互獨立，互不通氣，即使浮空器主體 出現(xiàn)穿孔、裂縫等損壞，只有臨近的氣室漏氣，大部分寶貴的氣體不會泄漏，不影響整個浮 空器的運行，為維修贏得了寶貴的時間。5、形狀保持方案在載重的情況下，浮空器體積越大越容易變形，為了保持浮空器 主體的外形，薄片材料通過薄片材料與浮空體主體連接處連接到浮空器主體的內(nèi)壁，由于 薄片材料有一定的抗拉強度，對浮空器主體保持一定的形狀起到了一定作用。6、浮空器與地面人、物交換方案為了使浮空器和地面交換人和物，浮空器上設卷 揚機，卷揚機連接纜繩，纜繩連接吊艙，吊艙下面有定位繩；為了保障天氣較惡劣的情況下 浮空器與地面交換人和物，在浮空器上設有平臺，平臺上?？坑醒a給飛艇。

下面對附圖簡要說明。圖1是一種金屬結構的大型浮空器示意圖。圖中1.浮空器主體，2.浮空器中部，3.浮空器頭部，4.浮空器尾部，5.弧形連接 帶，6.太陽能電池，7.水平連接帶，8.水平連接帶連接點，9.垂直連接條，10.載荷，11.載 荷連接點，12.窗戶，13.卷揚機，14.纜繩，15.吊艙，16.定位繩，17.水平翼，18.垂直翼， 19.動力機，20.螺旋槳，21.平臺，22.補給飛艇。圖2是一種金屬結構的大型浮空器內(nèi)部結構示意圖。圖中1.浮空器主體，5.弧形連接帶，7.水平連接帶，9.垂直連接條，10.載荷， 11.載荷連接點，23.薄片材料，24.氣室，25.薄片材料與浮空體主體連接處，26.風力發(fā)電 機。
具體實施方式
在圖1、圖2的實施例中，我們以實現(xiàn)一種金屬結構的大型浮空器為例對本實用新 型進一步說明在圖1中，浮空器主體1包含浮空器中部2、浮空器頭部3、浮空器尾部4中，浮空器 主體1為一金屬結構外殼，采用金屬板焊接而成，在浮空器主體1內(nèi)部充滿較輕的氣體，為 降低成本，可充入氫氣，使浮空器能夠產(chǎn)生浮力，在浮空器主體1上，有多條弧形連接帶5， 弧形連接帶5也是可以是金屬結構，如為金屬結構，實際為一定厚度的金屬帶，一般比浮空 器主體外殼要厚，焊接在浮空器主體1上，在浮空器主體1上布置有太陽能電池6，為了減輕 重量，使用薄膜太陽能電池，現(xiàn)在實用的薄膜太陽能電池技術已經(jīng)能夠達到0. 1千瓦/千克 的技術，完全能滿足浮空器對太陽能電池要求輕便的要求，多條水平連接帶7布置在浮空 器主體1的水平方向，弧形連接帶5與水平連接帶7通過水平連接帶連接點8連接在一起， 垂直連接條9 一端連接在水平連接帶7上，另一端連接在載荷10上的載荷連接點11，載荷 10可以是空中旅館、空中城市或其他載荷，如果作為空中旅館或空中城市，其內(nèi)部分為很多 不同功能的房間，這些房間必須用強度高、重量輕的材料制作，在載荷10上開有多個窗戶 12，卷揚機13布置在浮空器上，吊艙15通過纜繩14連接在卷揚機上，吊艙15上有定位繩 16，吊艙15在纜繩14的收放下可以上下移動，纜繩需要足夠長，可以從幾千米的高空將吊 艙15放下地面，當?shù)跖?5被放到地面附近，將定位繩16栓在地面上以固定吊艙15，吊艙15 可以運送貨物或人員，當然要在天氣條件較好的情況下才能使用，如果風大，使用吊艙15 就有困難，為了克服這種狀況，在浮空器下面設有一平臺21，在平臺21上可以停靠補給飛 艇22，用補給飛艇22可以實現(xiàn)地面與浮空器之間的物與人的交換，便于補給浮空器需要的 物資、運送旅客和工作人員；水平翼17、垂直翼18起穩(wěn)定的作用，動力機19可以是電動機， 也可以是柴油機、汽油機，也可以是兩種動力機的組合，在白天太陽能電池6提供的電力足 夠的時候，由電力提供驅(qū)動力，在沒有陽光的夜晚，可以由內(nèi)燃機提供動力，由動力機19提 供的動力使螺旋槳20轉(zhuǎn)動，驅(qū)動浮空器前進。在圖2中，弧形連接帶5與水平連接帶7相連，如果采用金屬，可以通過焊接方式 連接在一起，垂直連接條9也是可以是金屬結構，其一端可焊接在水平連接帶7上，另一端 與載荷10通過載荷連接點11連接，載荷10的全部重量由垂直連接條9承擔，由于垂直連 接條9是焊接在水平連接帶7，水平連接帶7焊接在弧形連接帶5與浮空器主體1上，這一 重量最終由浮空器產(chǎn)生的浮力承擔，為了保護充入浮空器主體中的寶貴氣體在出現(xiàn)故障時 減少泄漏量，以及保持浮空器主體1的形狀，在浮空器主體1的內(nèi)部，必須采用一定的結構 來實現(xiàn)這些功能，本實用新型采用的薄片材料23將浮空器主體1內(nèi)部空間分割成多個氣室 24，每個氣室相互獨立，即使浮空器主體1出現(xiàn)穿孔、裂縫等損壞，只有臨近的氣室漏氣，大 部分寶貴的氣體不會泄漏，不影響整個浮空器的運行，為維修贏得了寶貴的時間，薄片材料 23通過薄片材料與浮空體主體連接處25連接到浮空器主體1的內(nèi)壁，由于薄片材料23有 一定的強度，能夠使浮空器主體1保持一定的形狀；，在浮空器上安裝了風力發(fā)電機26，與 太陽能電池6聯(lián)合供電，保障了浮空器的能源供應。浮空器主體及附件材料的選擇浮空器主體1 可以使用鋁合金、鐵合金、不銹鋼等金屬材料，只是同樣厚度的金 屬板做的外殼，在同樣載荷下，密度大的金屬需要的體積更大，通過調(diào)節(jié)體積，不管使用哪種金屬與合金，一般都能滿足要求?；⌒芜B接帶5、水平連接帶7 —般為比外殼適當厚一點的金屬帶，只要強度足夠， 非金屬帶也可以使用，只是需要連接起來承擔載荷的重量。太陽能電池6 由于考慮重量，選擇薄膜太陽能電池較為理想，現(xiàn)在已經(jīng)有0. 1千 瓦/千克的產(chǎn)品出售，一個100千瓦的太陽能電站電池總重才1噸，完全能夠滿足浮空器的 日常用電的需求，太陽能電池6安裝在浮空器主體1表面。載荷10 根據(jù)需要確定，但可以考慮使用較輕、強度大的材料制作，如果作為空中 旅館使用，房間可以按地面上的旅館設施配置，只是需要考慮材料的強度和重量。卷揚機13、纜繩14、吊艙15、定位繩16 卷揚機13用于控制吊艙15的上下，吊艙 15用于浮空器與地面交換物資、上下人員等，所以纜繩14要求一定的長度與強度，定位繩 16為吊艙15下面的一段繩子，當?shù)跖?5靠近地面時搖晃不定，先拉定位繩16固定。水平翼17、垂直翼18起到穩(wěn)定飛行的作用，制作時參照飛艇制造技術。動力機19、螺旋槳20 用于驅(qū)動浮空器前進，動力機19可以是電動機、內(nèi)燃機等， 為了環(huán)保，最好使用太陽能電池發(fā)的電能驅(qū)動浮空器前進。平臺21、補給飛艇22 平臺21可用作日?；顒訄鏊?，也可以停靠補給飛艇22，補 給飛艇22用于天氣較惡劣時浮空器與地面交換物資與上下人員用。薄片材料23、氣室24 薄片材料23可以使用金屬及非金屬材料，只要輕便，有足夠 抗拉強度就行，薄片材料23連接在浮空器主體1的內(nèi)壁，氣室24由薄片材料23圍成，氣室 24的大小可根據(jù)浮空器主體1的體積、安全系數(shù)、重量等參數(shù)來確定。風力發(fā)電機26:用于空中風力發(fā)電，特別是夜晚沒有太陽能的情況下，風力發(fā)電 機26可以補充部分能源，制造時必須考慮重量。為了說明本實用新型即使使用了較厚的金屬板也能夠?qū)崿F(xiàn)浮空，下面假設制造一 個大型金屬浮空器對本實用新型進行一個初略的估算，只要浮空器主體的重量小于其所產(chǎn) 生的浮力，浮空器就能長期漂浮在空中，所以下面只估算浮空器主體的重量和浮力，至于載 荷和其他附屬部件的重量，可以通過改變浮空器體積大小和外殼厚度來調(diào)節(jié)。假設浮空器主體是一個長300米，直徑100米的圓柱形，采用3mm厚的高強度鋁 合金板焊接而成，其中充滿氫氣或氦氣，鋁合金密度按2750千克/立方米計算，漂浮于海拔 3000米的高空中，海拔3000米的高空中的空氣密度略為0. 8千克/立方米。浮空器的體積=3. 14X50米X50米X300米=2355000立方米；浮空器用鋁合金的質(zhì)量=鋁合金的體積X鋁合金的密度=鋁合金的表面積X 鋁合金的厚度X2750千克/立方米=(2X3. 14X50米X300米+2X3. 14X50米X50 米)X 0. 003米X 2750千克/立方米=(94200平方米+15700平方米)X 0. 003米X 2750 千克/立方米=906675千克 906噸。浮空器產(chǎn)生的浮力 浮空器的體積X所在高度的空氣密度=2355000立方 米X0. 8千克/立方米=1884000千克=1884噸。浮力與浮空器主體重量之差=1884噸-906噸=978噸?？梢?，載荷與其他部件的總重只要不超過978噸就能使一個龐大的浮空器長期漂 浮在3000米的高空中，空中旅館、空中城市將不再是幻想，而是可以實現(xiàn)的，也許有人說這 投資過大，但能夠?qū)崿F(xiàn)一個較長時間(幾十年以上)的長期漂浮在空中的大型浮空器，其經(jīng)濟效益是十分可觀的，投資大一點沒關系，比如每天有1000人(略70噸重量，只占浮空器 浮力的極小部分)在上面旅游、觀光、休閑，按5000元/天計算，一天的營業(yè)額大約為500 萬元，一年為18億，估計一年左右就能收回投資成本。為了證明浮空器主體能夠使用更厚的金屬板制造，我們再舉一個例子來說明。假設浮空器主體為長3000米，直徑1000米的圓柱體，采用1厘米厚的鋼板焊接 而成，其中充滿氫氣或氦氣，鋼板密度按7. 8噸/立方米來計算，浮空器漂浮在3000米的高 空中，3000米空中的空氣密度略為0. 8千克/立方米。浮空器的體積=3. 14X500米X500米X3000米=2355000000立方米；浮空器用鋼板的質(zhì)量=鋼板的體積X鋼板的密度=鋼板的表面積X鋼板厚 度 X7800 千克 /立方米=(2X3. 14X500米 X3000 米+2X3. 14X500米 X500 米)X0. 01 米X 7800千克/立方米=(9420000平方米+1570000平方米)X 0. 01米X 7800千克/立 方米=857220000 千克=857220 噸=85. 722 萬噸。浮空器產(chǎn)生的浮力 浮空器的體積X所在高度的空氣密度=2355000000立方 米X0. 8千克/立方米=1884000000千克=1884000噸=188. 4萬噸。浮力與浮空器主體重量之差=188. 4萬噸-85. 722萬噸=102. 678萬噸?？梢娂词挂粋€長3000米，直徑1000米，采用1厘米厚的鋼板焊接而成的大型浮空 體，漂浮于海拔3000的高空，除開承擔自重外還能為載荷與其他附屬設備提供大約100萬 噸的浮力。由于采用了 1厘米厚的鋼板，浮空體外殼異常堅固，不容易破壞，更談不上漏氣， 估計可在空中停留上千年，由于使用時間長，平攤后成本并不高，仍具有投資價值。
權利要求1.一種金屬結構的大型浮空器，包括浮空器主體(1)及浮空器主體(1)中填充的氣體， 其特征在于浮空器主體(1)采用金屬板制造，在浮空器主體(1)中填充有氣體。
2.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在浮空器主體(1) 中填充的氣體是氫氣。
3.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在浮空器主體(1) 上，有多條弧形連接帶(5)與浮空器主體(1)相連。
4.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于多條水平連接帶(7) 與浮空器主體(1)連接。
5.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在浮空器主體(1) 上，多條水平連接帶(7)與弧形連接帶(5)交叉連接在一起。
6.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在載荷(10)與浮空 器主體(1)之間通過垂直連接條(9)連接，垂直連接條(9) 一端連接在載荷(10)上，另一 端連接在水平連接帶(7)上或弧形連接帶(5)上，也可同時連接到水平連接帶(7)和弧形 連接帶(5)的交點上。
7.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在浮空器主體(1) 上布置有太陽能電池(6)和安裝有風力發(fā)電機(26)。
8.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于在浮空器主體(1) 的內(nèi)部，采用的薄片材料(23)將浮空器主體(1)內(nèi)部空間分割成多個氣室(24)，每個氣室 (24)相互獨立，互不通氣。
9.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于薄片材料(23)通過 薄片材料與浮空體主體連接處(25)連接到浮空器主體(1)的內(nèi)壁。
10.如權利要求1所述的一種金屬結構的大型浮空器，其特征在于浮空器上設卷揚機 (13)，卷揚機(13)連接纜繩(14)，纜繩(14)連接吊艙(15)，吊艙(15)下面有定位繩(16)， 在浮空器上設有平臺(21)，平臺上?？坑醒a給飛艇(22)。
專利摘要一種金屬結構的大型浮空器，主要由浮空器主體、弧形連接帶、太陽能電池、水平連接帶、垂直連接條、載荷、卷揚機、纜繩、吊艙、定位繩、水平翼、垂直翼、動力機、螺旋槳、平臺、補給飛艇、風力發(fā)電機、較輕氣體組成，浮空器主體采用較厚的金屬板制造，通過增大浮空器的體積來產(chǎn)生更大的浮力抵消自身的重量和載荷的重量，內(nèi)部采用薄片材料組成相互獨立的氣室，薄片材料與浮空器主體內(nèi)壁相連，實現(xiàn)了一種長壽命、抗破壞能力強、不容易泄漏氣體、可安全使用氫氣作為填充氣體的大型金屬結構浮空器，為空中旅館、空中城市、空中太陽能電站、空中風力發(fā)電站的實現(xiàn)鋪平道路。
文檔編號B64B1/06GK201914453SQ20102058816
公開日2011年8月3日 申請日期2010年10月30日 優(yōu)先權日2010年10月30日
發(fā)明者任永斌 申請人:任永斌