Unbemanntes Luftfahrzeug für telekommunikative oder für andere wissenschaftliche Zwecke

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

Die Verwendung von mit Gas gefüllten Ballonen (high altitude balloons) zum Stationieren von diversen Telekommunikations- und/oder überwachungsplattformen in der Stratosphäre ist beispielsweise aus der US

5.104,059 bekannt. Eine besondere Problematik derartiger Ballone ergibt sich aus den 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 Ballon. Dies stellt noch zusätzliche Anforderungen an das Material und die Konstruktion des unter Druck stehenden Ballons. 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 tragende, mit Gas gefüllte Ballon 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 die Plattform tragende Ballon innerhalb eines in der Stratosphäre in eine aerodynamische Aus- senform aufblasbaren Aussenballons angeordnet ist, und bei dem zwischen diesem Aussenballon und dem inneren Ballon mindestens eine mit einem Medium gefüllte Nieder- oder Hochdruck-Isolationskarnmer um den inneren Ballon gebildet ist, wobei als Medium für die Isolationskammer ein

Gas mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird, werden die negativen Auswirkungen der Temperaturunterschiede auf den Gasdruck im inneren Ballon weitgehend vermieden, so dass dieser aus einem leichteren und billigeren Material hergestellt werden kann, und seine Lebensdauer nachhaltig erhöht wird.

Die Plattformposition gegenüber der Erde kann dank dem weitgehend konstanten Gasdruck im inneren Ballon und den ausserhalb des Aussenballons befindlichen, elektrisch antreibbaren Propellern möglichst unverändert aufrechterhalten bleiben.

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Luftfahrzeuges in Seitenansicht;

Fig. 2 einen Teil des Luftfahrzeuges nach Fig. 1 im Querschnitt;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Luftfahrzeuges in Seitenansicht, und

Fig. 4 eine weitere Variante eines erfindungsgemässen Luftfahrzeuges in schematischem Längsschnitt bzw. teilweise in Ansicht.

Fig. l zeigt schematisch ein unbemanntes Luftfahrzeug 1 mit einer insbesondere zur drahtlosen Kommunikation und/oder zu anderen wissenschaftlichen Zwecken vorgesehenen Plattform 10, einer sogenannten „high alti- tude platform", 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 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 Ballon 1 1 getragen. Als Variante ist denkbar, dass diese Plattform 10 mittels sich um den Ballon 1 1 erstreckender Tragelemente 17, wie zum Beispiel Bänder oder ähnlichem, getragen ist.

Der zweckmässigerweise eine Kürbisform aufweisende oder andersförmi- ge Ballon 1 1 („Pumpkin Balloon") befindet sich innerhalb eines eine aerodynamische Aussenform aufweisenden Aussenballons 12, der erst nachdem die Plattform 10 mittels des Ballons 1 1 auf die gewünschte Höhe vorzugsweise 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 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 e- lektronischen Autopilot-System ausgestattet.

Als Medium zum Füllen und Aufblasen des Aussenballons 12 wird erfin- dungsgemäss ein Gas mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Xenon oder Krypton, verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit von Krypton beträgt 0,00949 W/m K, diejenige von Xenon 0,00569 W/m K. Um den inneren Ballon 1 1 herum wird eine mit diesem Gas gefüllte Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer 20 gebildet, durch welche der Ballon 11 von den sich beispielsweise während der Nacht und am Tag ergebenden grossen Temperaturunterschieden sozusagen abgeschirmt wird und seine Temperatur bzw. sein Gasdruck möglichst konstant gehalten wird.

Das sich als schlechter Wärmeleiter auszeichnende Gas, vorzugsweise Xenon oder Krypton, wird gemäss Fig. 2 mittels einer Pumpe 21 aus einem Speicher 24 über eine Zufuhrleitung 23 in die Isolationskammer 20 geliefert, wobei die Pumpe 21 auch eine Zuführung des Gases in einen separaten, eine Ausgleichskammer bildenden Ballon 28 ermöglicht, der 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 sorgt. Das Gas wird dabei von jeglicher Feuchtigkeit befreit, bevor es in die Isolationskammer 20

gelangt. Es ist auch eine Druck- und Temperaturmessung 26 bzw. 27 vorgesehen, welche mit einer nicht näher gezeigten Steuereinheit verbunden sind.

Der innere Ballon 1 1 ist - wie bereits erwähnt - vorzugsweise mit Helium gefüllt (es könnte sich aber auch um ein anderes Gas wie z.B. Wasserstoff handeln). Gemäss Fig. 2 ist ein Helium-Speicher 43 über eine Leitung 49 mit dem Innern des Ballons 1 1 verbunden. Eine Pumpe 47 ermöglicht eine Zuführung des Heliums entweder in diesen Ballon 1 1 oder in einen zusätzlichen Ballon 58. der als Ausgleichskammer für eine Druckregelung des gesamten Luftfahrzeuges dient. Es ist eine an die Steuereinheit lieferbare Druckmessung 48 in der Leitung 49 vorgesehen. Das Helium wird unter Druck in den die Plattform 10 tragenden, inneren Ballon 11 geliefert, wozu ein nicht näher dargestellter Kompressor vorhanden ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind all die Gerätschaften 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.

Erfindungsgemäss werden nun die Druckverhältnisse im inneren Ballon 1 1 derart geregelt, dass die Temperatur in seinem Innern möglichst konstant bleibt und dabei vorzugsweise der Nachttemperatur der Aussenluft entspricht. Die mit dem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Gas gefüllte Isolationskammer 20 sorgt dafür, dass sich die Temperaturunterschiede der Aussenluft am Tag und in der Nacht möglichst wenig auf den inneren Ballon 1 1 auswirken. Wenn jedoch mittels der Druckmessung 48 am Tag dennoch ein Druckanstieg im Ballon 1 1 festgestellt wird, so lässt

man über einen Druckverminderungsventil einen Teil des Heliums in den zusätzlichen Ballon 58 entweichen. In der Nacht hingegen, wenn die Druckmessung 48 einen Druck unter dem Sollwert anzeigt, wird das Helium zurück in den inneren Ballon 1 1 gepumpt.

Der Aussenballon 12, dessen Grundmaterial Polyäthylen oder dergleichen ist, ist gemäss Fig. 2 über einen Teil seiner Oberfläche mit einem Solarkollektorfilm 40 versehen. Die während des Tages durch Sonneneinstrahlung produzierte elektrische Energie wird mittels Batterien gespeichert.

Der Aussenballon 12 ist auch mit einem Infrarotkollektorfilm 41 versehen, mit welchem die Infrarotabstrahlung 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, eine Farbschicht o.a. ausgebildet. Sowohl der Aussenballon 12, als auch der innere Ballon 11 werden mit Vorteil aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt, wobei dann der Infrarotkollektorfilm 41 auf der der Erde zugewandten Innenseite des Aussenballons 12 angebracht wird. Die Infrarotabstrahlung kann dann von unten durch die beiden Ballons hindurch durchdringen und hilft so die ansonsten während der Nacht stattfindende Abkühlung temperaturmässig auszugleichen. Vorzugsweise deckt der Infrarotkollektorfilm 41 eine grossere Fläche des Aussenballons 12 ab als der Solarkollektorfilm 40.

Sowohl aussenseitig als auch innenseitig ist der Solarkollektorfilm 40 als auch der Infrarotkollektorfilm 41 durch eine Kunststoff-Schaumschicht, zum Beispiel Polystyrol, oder durch ein anders Isolationsmaterial abge-

deckt. so dass nicht eine übermässige Erhitzung der Ballonoberfläche entsteht.

Es ist aber auch möglich, sowohl den Aussenballon 12 als auch den inneren Ballon 1 1 aus einem aluminisierten Kunststoff herzustellen, wobei es sich um ein mehrschichtiges Material handelt, bei dem auf eine Kunststoff-, vorzugsweise Polyäthylenbasis eine Aluminiumschicht aufgebracht, die wiederum durch eine Kunststoffschicht abgedeckt wird. Die Aluminiumschicht bewirkt einerseits eine Reflexion von Strahlen und verbessert anderseits die Eigenschaften bezüglich der Gasundurchlässigkeit, d.h. es kann weniger Gas durch den Ballonstoff entweichen. Dank der Reflexion von Strahlen kann ihre thermische Einwirkung, die durch die Isolationskammer „abgeschirmt" werden soll, reduziert werden. An der Oberfläche des Aussenballons bzw. über einen Bereich derselben kann wiederum ein Sonnenkollektorfilm angebracht werden.

Es wäre durchaus möglich, um den inneren Ballon 11 herum zwei Niederoder Hochdruck-Isolationskammern zu bilden, indem der Aussenballon einen Aussenmantel und einen Innenmantel aufweisen würde, zwischen denen die eine, vorzugsweise mit Xenon oder Krypton gefüllte erste Isolationskammer gebildet wäre. Die andere, zwischen dem Innenmantel und dem Ballon 11 gebildete Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer könnte dann mit Aussenluft gefüllt und die Luft via Ablass aus der Isolationskammer abgelassen werden, um den Druck in dieser Kammer konstant zu halten. Es könnte dann dementsprechend wiederum der Druck und ausser- dem die Höhe über dem Meer gemessen und an die Steuereinheit übermittelt werden.

Zwei weitere mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Luftfahrzeuges 1 ' sind in Fig. 3 angedeutet.

Bei diesen Varianten ist zum einen eine zwischen dem Innenumfang des Aussenballons 12 und dem Aussenumfang des Ballons 11 angeordnete und sich wendeiförmig um den Ballon herum erstreckende Kammer 20' dargestellt, welche durch Querstege 50 begrenzt ist.

Zum andern kann eine am Innenumfang des Aussenballons 12 angeordnete, sich wiederum wendeiförmig, beabstandet um den Ballon 11 herum erstreckende Kammer 20" ausgebildet sein, welche durch annähernd im Querschnitt rechteckförmige Hülle oder Hüllen 50' gebildet ist.

In beiden Fällen sind diese Kammern 20', 20" mit dem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Gas. beispielsweise Xenon oder Krypton, gefüllt und somit die Nieder- oder Hochdruck-Isolationskammer zumindest teilweise um den Ballon 1 1 herum gebildet.

Diese Kammern 20', 20" sind nur gerade über einen Teil des Gesamtum- fanges des Ballons veranschaulicht. Selbstverständlich würde entweder die eine oder andere Kammer über den gesamten oder annähernd den gesamten Umfang vorgesehen sein.

Analog zur Variante nach Fig. 1 und 2 kann der Aussenballon 12 wiederum mit dem Sonnenkollektorfilm und dem Infrarotkollektorfilm versehen sein, mit denen die Sonnenstrahlung am Tag und die Infrarotabstrahlung von der Erde in der Nacht energetisch ausgenutzt werden. Die Querstege 50 bzw. diese Hüllen 50' bestehen dann zweckmässigerweise wiederum -

gleich wie die beiden Ballone 1 1 , 12 - vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial.

Auch bei den in Fig. 3 angedeuteten Ausführungen könnte aber sowohl der Aussenballon als auch der innere Ballon 1 1 aus einem aluminisierten Kunststoff angefertigt sein.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle von wendeiförmigen Kammern 20', 20" eine Anzahl von aneinandergereihten, taschen- bzw. kissenförmigen und mit dem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Gas, vorzugsweise Xenon oder Krypton, füllbaren Kammern um den Ballon 11 herum anzuordnen, und zwar über seinen gesamten Umfang oder zumindest über den grössten Teil desselben. Diese könnten wiederum den Raum zwischen dem inneren Ballon 11 und dem Aussenballon 12 zumindest teilweise ausfüllen oder am Innenumfang des Aussenballons 12, vom inneren Ballon 1 1 beabstandet, angeordnet sein. Als Material für diese taschen- bzw. kissenförmige Kammern eignet sich der bereits erwähnte, a- luminisierte Kunststoff, vorzugsweise Polyäthylen.

Dadurch, dass der Gasdruck im Ballon 11 des erfmdungsgemässen Luftfahrzeuges 1 bzw. 1 ' weitgehend konstant gehalten bzw. wirksam reguliert 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 als es bei herkömmlichen Ballonen der Fall ist.

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.

Fig. 4 zeigt ein unbemanntes Luftfahrzeug, welches an sich gleich ausgestaltet ist wie dasjenige nach Fig. 1. Für die unveränderten Teile sind daher dieselben Bezugszeichen verwendet. Es sind der Aussenballon 12 und der innerhalb diesem angeordnete, die Plattform 10 tragenden, mit Gas gefüllten Ballon 1 1 vorhanden. Im inneren Ballon 11 ist mindestens ein zusätzlicher Ballon 31 mit einem Ein- und Auslassventil für ein Ablassen bzw. Einlassen von Gas, vorzugsweise Luft, angeordnet. Mit diesem zusätzlichen Ballon 31 wird ein konstanter Druck in dem diesen umschliessenden Ballon 1 1 erzeugt. Zu diesem Zwecke ist eine entsprechende Druckregulierung in dem Ballon 31 vorgesehen, was nicht näher dargestellt ist, bei der eine Druckmessung im innern Ballon 1 1 erfolgt. Mit einem steuerbaren Auslass- bzw. Einlassventil kann die Luft aus dem zusätzlichen Ballon 31 abgeführt bzw. via eine Pumpe eingelassen werden, so dass hierdurch der Druck im inneren Ballon 11 konstant gehalten oder wunschgemäss eingestellt werden kann.

Der innere Ballon 11 und der Aussenballon 12 sind als weiteres Merkmal der Erfindung an ihrer Unterseite durch ein Verbindungsmittel 34 aneinander gehalten. Dadurch ergibt sich eine optimale Stabilität des Luftfahrzeuges. Auch der zusätzliche Ballon 31 im inneren Ballon 1 1 ist ebenfalls an seiner Unterseite an letzterem gehalten. Vorteilhaft ist an der Unterseite des Aussenballons eine eloxierte Aluminiumschicht als Aussenmantel vor-

gesehen, mit der die Infrarotstrahlung in der Nacht absorbiert werden soll, um Wärme in der Isolationskammer zu erzeugen.

Die Plattform 10 ist im Rahmen der Erfindung durch ein Verbindungselement 30 mit der Unterseite des Aussenballons 12 verbunden. Die Plattform 10 ist hierbei durch ein angedeutetes Gelenk 33 zum Aussenballon 12 gelenkig gehalten und durch eine nicht näher gezeigte Kupplung von diesem Aussenballon lösbar. Dadurch kann - wie erwähnt - die Plattform 10 nach dem Abkuppeln auf die Erde zurückgeführt werden, indessen die Ballone aufsteigen und zerstört werden. Vorteilhaft wird als Kupplung eine elektromagnetische verwendet, durch die ein Lösen ohne aufwendige mechanische Einrichtungen ermöglicht wird.

Ferner ist noch gezeigt, dass die Isolationskammer 20 für die Gaszirkulation auf der Unterseite des Aussenballons 12 mit einem oder mehreren Einlassen 36. und auf der Oberseite mit einem oder mehreren Auslässen 36' versehen ist. Dies ermöglicht ein optimales Kühlen des Luftfahrzeuges zu Tageszeit.