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Unbemanntes Luftfahrzeug als Plattform für telekommunikative oder für andere wissenschaftliche Zwecke

Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Luftfahrzeug als Plattform für telekommunikative oder für andere wissenschaftliche Zwecke in einer vorbestimmten Höhe in der Stratosphäre gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Verwendung von mit Gas gefüllten Hochdruckballonen zum Stationieren von diversen Telekommunikations- und/oder überwachungsplattformen in der Stratosphäre ist beispielsweise aus der US 5,104,059 bekannt.

Im Gegensatz zu sogenannten Niederdruckballonen können diese über längere Zeit in der Stratosphäre verbleiben. Eine besondere Problematik derartiger Hochdruckballone ergibt sich aus den extremen Temperaturunterschieden, denen sie tagsüber einerseits und in der Nacht andererseits ausgesetzt sind. Am Tag ist die Ballonoberfläche der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt, und das Gas im Balloninnern wird von der Sonnenstrahlung erwärmt, wodurch der Gasdruck steigt. In der Nacht hingegen sinkt die Umgebungs- und Gastemperatur und dadurch auch der Gasdruck im Hochdruckballon. Dies stellt noch zusätzliche Anforderungen an das Material und die Konstruktion des unter hohem Druck stehenden Hochdruckballons. Es erschwert ausserdem das Aufrechterhalten der Höhe und Plattformposition gegenüber der Erde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unbemanntes Luftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der die Plattform tragenden, mit Gas gefüllten Hochdruckballon in optimaler Weise in der gewünschten Höhe und Position gehalten werden kann, und er überdies über eine lange Lebensdauer verfügt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Luftfahrzeuges bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Beim erfindungsgemässen Luftfahrzeug, bei dem der Hochdruckballon innerhalb eines in der Stratosphäre in eine aerodynamische Aussenform aufblasbaren Aussenballons angeordnet ist, der mindestens eine mit einem Medium füllbare Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer um den

Hochdruckballon bildet, wobei Heiz- und Kühlmittel für das in der Isolationskammer zirkulierende Medium vorgesehen sind, werden die negativen Auswirkungen der extremen Temperaturunterschiede auf den Gasdruck im Hochdruckballon weitgehend vermieden, so dass dieser aus einem leichteren und billigeren Material hergestellt werden kann, und seine Lebensdauer nachhaltig erhöht wird, dies auch aufgrund der Montage der Propeller an der Plattform und nicht am Ballon.

Die Plattformposition gegenüber der Erde kann dank dem weitgehend konstanten Gasdruck im Hochdruckballon und den ausserhalb des Aussenbal- lons befindlichen, elektrisch antreibbaren Propellern möglichst unverändert über längere Zeit aufrechterhalten bleiben.

Das erfindungsgemässe Luftfahrzeug kann dadurch, dass der Aussenballon erst in der Stratosphäre oder am Boden aufgeblasen wird und seine aerodynamische Form erhält, problemlos durch die Troposphäre auf die gewünschte Höhe von 20 bis 30 km aufsteigen, wenn Luft verwendet wird - im Gegensatz zu den an sich bekannten, zeppelinartigen Luftfahrzeugen mit metallenem Gerüst, bei denen gerade in dieser Aufstiegphase etliche Schwierigkeiten überwunden werden müssen, was nachfolgend noch im Detail erläutert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:

Fig. 1 ein Ausführuήgsbeispiel eines erfmdungsgemässen Luftfahrzeuges in schematischer Seitenansicht;

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Fig. 2A einen Teil des Luftfahrzeuges nach Fig. 1 im Querschnitt, mit einem Schaltschema einer Heiz- und einer Kühleinheit; wobei Luft in der äusseren Isolationskammer verwendet wird;

Fig. 2B einen Teil des Luftfahrzeuges nach Fig. 1 im Querschnitt, mit einem Schaltschema einer Heiz- und einer Kühleinheit, wobei Helium in der äusseren Isolationskammer verwendet wird;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Luftfahrzeuges;

Fig. 4 eine schematische Ansicht von oben auf die Plattform des Luftfahrzeuges;

Fig. 5 eine schematische Ansicht des erfindungsgemässen Luftfahrzeuges beim Aufstieg in die Stratosphäre; und

Fig. 6 die Plattform von hinten veranschaulicht beim Zurückfliegen auf die Erde.

Fig. l zeigt schematisch ein unbemanntes Luftfahrzeug 1 insbesondere zur drahtlosen Kommunikation und/oder zu anderen wissenschaftlichen Zwecken vorgesehenen Plattform 10, einer sogenannten „high altitude plat- form", in der Stratosphäre. Dieses Luftfahrzeug 1 kann hierbei derart gesteuert sein, dass es zur Erde eine stationäre Position einnimmt oder es kann auch relativ zur Erde beweglich angeordnet sein, wenn es beispielsweise stationär zu einem im Weltall befindlichen Satelliten fliegend positioniert sein soll. Dieses Luftfahrzeug eignet sich nicht nur als übermittlungsstation für die Telekommunikation sondern auch für wissenschaftliche Messzwecke, übermittlungsstation für TV- oder Radiostationen, für photografische Zwecke, als Wetterstation und vieles mehr. Es ist mit einem GPS und anderen Kontrollgeräten ausgerüstet, so dass eine automatische Boardsteuerung des Luftfahrzeuges ermöglicht wird, wobei das Luft-

fahrzeug von einem Kontrollzentrum auf der Erde quasi ferngesteuert eine elektronische Verbindung besteht.

Gemäss Fig. 1 befindet sich das Luftfahrzeug 1 bereits auf der gewünschten Höhe von 20 bis 30 km, die vorteilhaft bezüglich der Windverhältnisse ist. Die mit entsprechenden Geräten („Payload plane"') ausgerüstete Plattform 10 wird von einem mit Gas, vorzugsweise Helium, gefüllten Hochdruckballon 11 getragen. Als Variante ist denkbar, dass diese Plattform 10 mittels sich um den Ballon 11 erstreckende Tragelemente 17, wie zum Beispiel Bänder oder ähnlichem, getragen ist.

Der zweckmässigerweise eine Kürbisform oder andersförmig aufweisende Hochdruckballon 11 („Pumpkin Balloon") befindet sich innerhalb eines eine aerodynamische Aussenform aufweisenden Aussenballons 12, der erst, nachdem die Plattform 10 mittels des Hochdruckballons 11 auf die gewünschte Höhe insbesondere von 20.7 km problemlos durch die Troposphäre gebracht wurde, mit einem Medium gefüllt und in die aerodynamische Aussenform aufgeblasen wird.

Der Aussenballon 12 ist an einem hinteren Ende mit einem Höhen- und Seitenleitwerk 13, 14 ausgerüstet. Es sind ausserdem Mittel zum Aufrechterhalten der Luftfahrzeug- bzw. der Plattformposition gegenüber der sich drehenden Erde vorhanden. Diese umfassen sich ausserhalb der Plattform 10 befindliche, elektrisch antreibbare Propeller 15 für die Luftfahrzeug- Fortbewegung oder aber auch für die Luftfahrzeug-Stabilisierung. Hierbei sind die Propeller 15 mit individuellen Drehzahlen ansteuerbar, um das Luftfahrzeug stets in derselben Richtung zur Erdoberfläche zu halten. Die Propeller 15 können auch schwenkbar an der Plattform 10 angeordnet und somit zu beiden vorstehend erwähnten Zwecken dienen. Das erfindungs-

gemässe Luftfahrzeug 1 ist zudem mit einer Steuerung und mit einem elektronischen Autopilot-System ausgestattet.

Bei der in Fig. 1 und 2 A schematisch dargestellten Luftfahrzeug-Variante wird als Medium zum Füllen und Aufblasen des Aussenballons die Aus- senluft verwendet. Um den Hochdruckballon 11 herum wird eine mit der Aussenluft gefüllte Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer 20 gebildet, in welche die Aussenluft gepumpt und in Zirkulation gebracht wird, wobei erfindungsgemäss Mittel vorgesehen sind, mit welchen die in der Isolationskammer 20 zirkulierende Luft aufgewärmt oder durch einen Wärmeaustausch abgekühlt werden kann, damit der Hochdruckballon 11 von den sich beispielsweise während der Nacht und am Tag ergebenden Temperaturunterschieden sozusagen abgeschirmt wird und sein Gasdruck so wenig wie möglich ändert. Anstelle von Luft könnte als Medium auch Helium oder ein anderes Gas oder sogar eine schaumartige Masse mit einem hohen Isolationswert, wie beispielsweise Styropor, verwendet werden.

Die Aussenluft wird gemäss Fig. 2A mittels einer Pumpe 21 in einen Kompensations-Tank 22 gepumpt und von dort über eine Zufuhrleitung 23 in die Isolationskammer 20 geliefert, wobei eine weitere Pumpe 24 für die Luftzirkulation sorgt. Die durch die Pumpe 24 über eine Abzugsleitung 25 aus der Isolationskammer 20 abgezogene Luft gelangt über eine ausserhalb des Aussenballons 12 angeordnete Kühleinheit 30 und eine ebenfalls ausserhalb des Aussenballons 12 angeordnete Heizeinheit 31 wieder in die Zufuhrleitung 23 und über diese wieder in die Isolationskammer 20. Die Kühleinheit 30 und die Heizeinheit 31 kommen dabei wahlweise zum Einsatz.

Die sich am Tag durch die auf den Aussenballon 12 einwirkende Sonnenstrahlung in der Isolationskammer 20 erwärmende Luft wird in der Kühleinheit 30 abgekühlt, die sich während der Nacht in der Isolationskammer 20 abkühlende Luft wird hingegen in der Heizeinheit 31 erwärmt. Dieser Prozess wird derart gesteuert, dass die Temperaturschwankungen der in der Isolationskammer 20 zirkulierenden Luft möglichst klein gehalten werden. Zu diesem Zweck ist eine Druck- 26 und Temperaturmessung 27 vorgesehen, welche mit einer nicht näher gezeigten Steuereinheit zwecks automatischer Regulierung verbunden sind.

Bei der Kühleinheit 22 handelt es sich um einen Wärmeaustauscher, bei dem die tiefe Temperatur (-40 ⁰ C oder tiefer) der Aussenluft als Kühlmedium ausgenutzt wird. Dementsprechend wird kalte Luft durch eine Ansaugleitung 30' als Kühlmedium verwendet, welche entsprechend wieder via eine Leitung 30" ausgestossen wird.

Die Heizeinheit 21 wird elektrisch betrieben. Zur Erzeugung des elektrischen Stroms wird die Solarenergie genutzt, wozu der Aussenballon 12, dessen Grundmaterial Polyethylen ist, an seiner Oberfläche mit einem Solarkollektorfilm 40 versehen ist. Die während des Tages durch Sonneneinstrahlung produzierte elektrische Energie wird mittels Batterien gespeichert.

Der Aussenballon 12 wird erfindungsgemäss auch mit einem Infrarotkollektorfilm 41 versehen, mit welchem die Infrarotab Strahlung von der Erde während der Nacht ausgenützt wird. Der Infrarotkollektorfilm 41 an der Innenseite des Solarkollektorfilms 40 ist vorzugsweise als ein dunkler, etwa 12 μm dicker Aluminiumfilm, einer Farbschicht oder ähnlichem ausge-

bildet. Sowohl der Aussenballon 12, als auch der mit einem Helium- Speicher 43 verbundene Hochdruckballon 11 werden mit Vorteil aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt, wobei dann der Infrarotkollektorfilm 41 auf der der Erde zugewandten Innenseite des Aussen- ballons 12 angebracht wird. Die Infrarotstrahlung kann dann von unten durch die beiden Ballons hindurch durchdringen und hilft so die ansonsten während der Nacht stattfindende Abkühlung temperaturmässig auszugleichen.

Sowohl aussenseitig als auch innenseitig ist der Solarkollektorfilm als auch der Infrarotkollektorfilm durch eine Kunststoff-Schaumschicht, zum Beispiel Polystyrol, abgedeckt, so dass nicht eine übermässige Erhitzung der Ballonoberfläche entsteht.

Der Helium- Speicher 43 ist über eine Leitung 49 mit dem Innern des Hochdruckballons 11 verbunden. Eine Pumpe 47 ermöglicht eine Zuführung des Heliums entweder in diesen Hochdruckballon 11 oder in einen zusätzlichen mit Helium gefüllten Ballon 58, wobei dieser Ballon 58 in der Plattform 10 oder aussen enthalten ist und als Ausgleichskammer für eine Höhenregulierung des gesamten Luftfahrzeuges dient. Eine an die Steuereinheit lieferbare Druckmessung 48 in der Leitung 49 ist ebenfalls vorgesehen.

Der bereits erwähnte Kompensations-Tank 22 für die Aussenluft sorgt für konstanten Druck und konstantes Volumen in der Nieder- oder Hochdruck- Isolationskammer 20 und somit auch für das Aufrechterhalten der aerodynamischen Aussenform des Aussenballons 12.

Bei dem Schaltschema gemäss Fig. 2B wird als Unterschied zu demjenigen nach Fig. 2A nicht Luft sondern Helium als Isolationsgas verwendet. Es wird daher Helium von einem Vorratsbehälter 22' in die Isolationskammer 20 geführt. Ansonsten sind die gleichen Aggregate wie in Fig. 2A vorgesehen, welchen dieselben Bezugszeichen zugeordnet sind. Es wird daher nicht noch einmal im Einzelnen darauf eingegangen.

Wie aus Fig. 2A, 2B bzw. Fig. 3 ersichtlich ist, sind all die Gerätschaften, wie die Kühl- 22 und die Heizeinheit 21 etc., in der Plattform 10 enthalten. Selbstverständlich sind noch weitere nicht näher gezeigte Instrumente und Aggregate in dieser Plattform 10 untergebracht, beispielsweise die gesamte Elektronik, Akkumulatoren, Steuergeräte und vieles andere.

Auch bei der in Fig. 3 dargestellten Variante eines unbemannten Luftfahrzeuges 1 ' ist ein in eine aerodynamische Form aufblasbarer Aussenballon 12' vorhanden, allerdings werden hier um den Hochdruckballon 11 herum zwei Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammern 50, 51 gebildet. Der Aussenballon 12' weist einen Aussenmantel 55 und einen Innenmantel 56 auf, zwischen denen die eine, mit dem zirkulierenden Medium gefüllte erste Isolationskammer 50 gebildet ist, welches Medium auch bei dieser Lösung mittels einer Kühleinheit 31 ' abgekühlt und mittels einer Heizeinheit 31 ' aufgewärmt werden kann. Zudem ist ein Kompensations-Tank 22' mit einer Pumpe 21 ', eine Druck- und Temperaturmessung analog wie bei Fig. 2 vorgesehen.

Als Medium wird bei dieser Variante Helium verwendet, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als bei Luft. Geliefert wird das Helium von den in den Hochdruckballon 11 leitenden Speichern 43' und 43", von denen der eine Speicher 43' mit flüssigem, indessen der andere mit gasförmigem

Helium gefüllt ist. Diese Speicher 43 ', 43 " stehen auch mit einem zusätzlichen, mit Helium gefüllten Ballon 58 in Verbindung, der zum Ausgleichen der Luftfahrzeughöhe vorgesehen ist. Eine Pumpe 44 führt Helium entweder vom Speicher 43 " unter Hochdruck in den Ballon 11, oder aber es wird durch diese Pumpe Helium aus dem Ballon 11 in diesen zusätzlichen Ballon 58 abgelassen, um einen konstanten Druck im Ballon 11 zu gewährleisten. Auf diesem Wege kann im Prinzip auch die Höhe des Luftfahrzeuges 1 geändert werden können, indem zusätzliche Luft ein- bzw. Luft ausgelassen wird. Es ist ferner ein überdruckventil 45 und eine nicht näher dargestellte Druckmessung vorhanden.

Die andere, zwischen dem Innenmantel 56 und dem Hochdruckballon 11 gebildete Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer 51 wird mittels einer Pumpe 21 ' aus einem Kompensations-Tank 22' mit Aussenluft gefüllt. Die Luft kann via Ablass 59 aus der Isolationskammer 51 abgelassen werden, damit der Druck in dieser Kammer 51 konstant gehalten werden kann. Es kann dementsprechend wiederum der Druck und ausserdem die Höhe über Meer gemessen und an die Steuereinheit übermittelt werden, was nicht näher gezeigt ist.

Analog zur Variante nach Fig. 2 ist der Aussenballon 12' wiederum mit dem Sonnenkollektorfilm 40 und dem Infrarotkollektorfilm 41 versehen, mit denen die Sonnenstrahlung am Tag und Infrarotab Strahlung von der Erde in der Nacht energetisch ausgenutzt werden.

^" Bei der Aus führungs form nach Fig. 3 wird der Schutz des Hochdruckballons 11 bezüglich der Temperaturschwankungen im Vergleich zur Ausführungsform nach Fig. 2 noch weiter verbessert. Dadurch, dass der Gasdruck im Hochdruckballon 11 des erfindungsgemässen Luftfahrzeuges 1 bzw. 1 '

weitgehend konstant gehalten werden kann und nicht den negativen Einwirkungen der extremen Tag/Nacht-Temperaturunterschiede ausgesetzt ist, kann das Luftfahrzeug wesentlich länger im Einsatz bleiben und samt Plattform 10 besser seine Position gegenüber der Erde (bzw. gegenüber einem bestimmten Gebiet auf der Erde) aufrechterhalten.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Plattform 10, die vorliegend eine delta- förmige Ausbildung hat. Dieser Plattform 10 sind mehrere, zum Beispiel vier an ihrer Hinterseite verteilt angeordnete, von einem Elektromotor 15' angetriebene Propeller 15 zugeordnet. Diese Propeller 15 sind - wie bereits oben erwähnt - mit individuellen Drehzahlen ansteuerbar und ausser- dem schwenkbar angeordnet, um das Luftfahrzeug 1 in eine bestimmte Position und Richtung zur Erdoberfläche, vorzugsweise in Drehrichtung der Erde, zu bringen und es folglich stets in derselben Position und Richtung zur Erdoberfläche zu halten. Zudem sind auch Leitwerke 19 der Hinterseite der Plattform 10 für eine Höhenverstellung von letzterer zugeordnet.

Die Plattform 10 ist gemäss Fig. 4 vorzugsweise derart aerodynamisch ausgestaltet, dass sie zusammen mit einem zum „Payload plane"' der Plattform 10 gehörenden Gleitschirm wie ein selbständiges Luftfahrzeug zurück zur Erde angesteuert werden kann.

Das Luftfahrzeug 1 ist selbstverständlich mit einer kompletten Steuerung ausgerüstet, so dass es sich selbsttätig in der gewünschten Position zur Erdoberfläche befindet. Zudem ist es mit einem Kontrollzentrum auf der Erde verbunden, so dass ein Datenaustausch und Steuerungsmöglichkeiten von der Erde aus durchführbar sind.

Beim Aufstieg des Luftfahrzeuges 1 von der Erde aus ist es gemäss Fig. 5 vorteilhaft mit zusätzlichen Ballonen 5 bestückt, durch welche dieser Aufstieg schnell erfolgen kann, so dass die Troposphäre in kurzer Zeit durchquert werden kann. Sobald es in die Stratosphäre gelangt, können diese Ballone abgestossen werden. Im Prinzip kann das Luftfahrzeug aber auch ohne zusätzliche Ballone in die gewünschte Höhe gebracht werden.

Die Plattform 10 wird von den Ballonen 11, 12 nach dem Pumpen des Heliumgases oder dem anderen Gas in den Ballon 58 getrennt, indem die Tragelemente 17 von der Plattform 10 gelöst werden, wonach sie sich nach unten absenkt. Auf verschiedenen Höhen werden gegebenenfalls verschiedene Fallschirme geöffnet, wobei in der Höhe von etwa 3 bis 5 km gemäss Fig. 6 ein Gleitschirm 61 geöffnet und die Plattform 10 mit Hilfe der arbeitenden Propeller 15 zum gewünschten Standort auf der Erde zurück gelenkt wird. Durch diese Tragunterstützung dieses Gleitschirmes 61 kann die Plattform 10 mit kleineren Abmessungen versehen werden. Die verbleibenden Ballone 11, 12 werden in der Atmosphäre zerstört.

Anstelle von Helium oder Luft in den Ballons könnten auch andere Gase, wie Sauerstoff, Argon oder ähnlichem und anstelle von Propellern 15 könnten auch Düsentriebwerke oder dergleichen verwendet werden.