一种可回收氢飞艇及其使用方法

技术领域

本发明属于飞艇设计技术领域，尤其涉及一种可回收氢飞艇及其使用方法。

背景技术

飞艇是一种轻于空气的航空器，艇体充有密度小于空气的浮升气体产生浮力，并通过推进装置控制飞行。与重于空气的航空器相比，浮空器具有很长的滞空时间。目前世界范围内大多数浮空器采用氦气作为浮升气体，这是因为氦气有着很高的安全性和浮升效率，但氦气属于不可再生能源且成本高昂。

为了降低飞艇研发的技术成本，采用氢气作为浮升气体，不仅能节约一大笔成本，而且氢气的浮升效率要高于氦气的浮升效率。但是，氢气的安全性无疑是氢飞艇能够得到良好发展的前提。

另外，当使用氢气作为浮升气体时，飞艇若能安全回收，将能进一步提高氢气的利用率和飞艇中动力推进系统、艇载设备等附件的重复使用，具有较大的潜在应用价值。

目前有关氢飞艇方案相关的专利中，主要侧重于氢气与氢动力的气体调节(CN104943845A)或者防止氢气单纯泄漏采取的控制措施或者布局(CN113060271A)。但是并未考虑到外在环境例如静电对氢气囊的影响以及气体掺混(氢气与空气/水蒸气混合等气体)导致气体不纯对后续气体调节的影响。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

发明目的

针对上述现有技术不足，本发明提供了一种可回收氢飞艇及其使用方法，主要满足升空、驻空等过程中的气体安全调节，在飞艇回收过程中，通过控制系统调节气体的状态使其安全返回到地面。

发明技术解决方案

一种可回收氢飞艇，包括主气囊一，主气囊一内充氢气，氢气缓冲模块和储氢模块能够对主气囊一中压力进行调节。

优选的，还包括主气囊二，所述主气囊一置于主气囊二的内部，主气囊二内充一种或多种不燃的卤代甲烷气。

优选的，氢气缓冲模块包括缓冲罐一、缓冲罐二，缓冲罐一能够向主气囊一、缓冲罐二和储氢模块充气；缓冲罐二能够为燃料电池模块供氢，缓冲罐一还和储氢模块相连。

优选的，所述缓冲罐一和缓冲罐二上装有压力传感器、氢气浓度传感器和温度传感器，分别用于监测缓冲罐一、缓冲罐二内氢气的压力、浓度和温度，缓冲罐一上还装有安全阀、增压泵和压缩机，当缓冲罐一中的压力传感器超过所许用压力时，安全阀打开释放压力；增压泵和压缩机能对缓冲罐一中的气体进行增压；缓冲罐一和主气囊一之间、缓冲罐一和缓冲罐二之间设置电磁阀，缓冲罐一与储氢模块之间设置有压力传感器、减压电磁阀、三向旋塞阀。

优选的，缓冲罐一内嵌入隔板，隔板内装有吸附剂活性氧化铝和活性炭。

优选的，储氢模块上装有温度传感器和压力表。

优选的，主气囊一和主气囊二的容积比为低于或接近1:0.15。

优选的，通过其他气体存储与供气模块向主气囊二内充气。

一种可回收氢飞艇的使用方法，(1)地面充气过程，充气时，先将主气囊二中充入预定体积的卤代烷烃，之后，再向主气囊一中充入氢气；

升空和驻空过程，主气囊一内部氢气压力超过最大设计使用值时，释放一部分氢气到缓冲罐一中；主气囊一压力减小到设计边界时，由缓冲罐一和储氢模块组合向主气囊一中释放氢气，达到指定的压力后停止；

(3)回收过程,将主气囊一中的氢气释放至缓冲罐一内，缓冲罐一内氢气进入缓冲罐二，然后缓冲罐二内氢气进入燃料电池模块4中充当工质，为动力系统供电。

优选的，地面充气过程中，先将主气囊一抽真空，再经缓冲罐一向主气囊一充气至一定压力。

本发明的优点：该方法合理利用氢气的特性，当氢气作为浮升气体时，在升空和驻空阶段，由于温差变化需要释放部分氢气，可将这部分氢气通过管路收集到缓冲罐1中；当需要补充氢气时，通过压力调控，从缓冲罐1和储氢模块中可释放出部分氢气以弥补氢气的不足。当氢气作为燃料时，通过储氢模块或(和)主气囊为氢燃料电池提供氢气。通过消耗氢气使得飞艇的净浮力减小，高度逐渐下降，进而达到回收的目的。另外，为了能安全使用氢气，采取了添加不燃卤代甲烷和安全气囊等措施来保持氢气使用过程中的安全。

附图说明

图1为飞艇囊体布局图。

图2为本发明的一种可回收氢飞艇的总体示意图。

图3为氢气缓冲模块示意图。

图4为其他气体存储与供气模块示意图。

图中：图中：1-囊体；11-主气囊一；12-主气囊二；13-副气囊；2-吊舱；21-蓄电池模块；3-动力装置；4-燃料电池模块；5-安全气囊；6-氢气缓冲模块；7-其他气体存储与供气模块；61-缓冲罐一；62-缓冲罐二；63-储氢模块；4-燃料电池模块；41、634-三向旋向阀；42、60、611、612、616、621、622、631-进气电磁阀；43、44、632、633-减压电磁阀；613-增压泵；614-压缩机；615、623-安全阀；617-吸附剂活性氧化铝；618-活性炭；619-隔板。

具体实施方式

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种可回收氢飞艇布局，包括有囊体1、吊舱2、动力装置3、氢燃料电池供电模块4、安全气囊5、氢气缓冲模块6和其他气体存储与供气模块7。所述囊体1包括主气囊一11、主气囊二12、副气囊13。

所述吊舱2包括蓄电池模块21、动力装置3、燃料电池模块4、氢气缓冲模块6、其他气体存储与供气模块7。

所述囊体1内充氦气，所述副气囊13共2个，位于囊体1的前底部和后底部，内充空气，用于囊体1的保形。

所述主气囊一11置于主气囊二12的内部，且两主气囊内的囊体材料采用涂有防静电剂的高分子复合材料，避免静电的产生或积累。

所述主气囊一11内充氢气，氢气由氢气缓冲模块6通过管路提供。

所述主气囊二12位于囊体1的内中部，与副气囊13始终保持一定的距离，内充一种或多种不燃的卤代甲烷气，该气体由其他气体存储与供气模块7通过管路提供。

主气囊一11和主气囊二12中的气体体积比为低于或接近1:0.15，保证氢气主气囊一11一旦泄漏时的安全性。

所述主气囊一11、主气囊二12和副气囊13内部装有温度传感器、压力传感器、氢浓度传感器，用以监测氢气气体状态；

所述蓄电池模块21，用于艇载设备和动力系统供电。

所述氢气缓冲模块包括缓冲罐一61、缓冲罐二62、增压泵613、压缩机614以及相关阀管路。

所述缓冲罐一61设计许用最大压力为1MPa，缓冲罐一61上装有压力传感器和氢气浓度传感器和温度传感器，用于监测氢气的浓度和气体状态；安全阀615用于保护缓冲罐一61过压的安全使用，即当缓冲罐一61中的压力传感器超过所许用压力时，安全阀615打开释放压力；进气电磁阀616控制缓冲罐一61向主气囊一11中进气；而进气电磁阀612控制缓冲罐一61向缓冲罐二62中进气，并通过增压泵613和压缩机614对缓冲罐一61中的气体进行增压，使得缓冲罐二62中能保存更多的气体。

所述缓冲罐一61内嵌入两层隔板619，分别装有吸附剂活性氧化铝617和活性炭618，用于吸附除氢气和空气外的杂质。

所述每层隔板619上设有数排直径(1～2)mm的小孔，便于气体能够透过隔板进入其他区域。

缓冲罐一61通过氢气管路分别与主气囊一11、储氢模块63、缓冲罐二62相连。

缓冲罐一61与储氢模块63相连的氢气管路上装有进气阀631、压力传感器、减压电磁阀一632、减压电磁阀二633、3向旋塞阀634、进气电磁阀612，压力传感器用于监测来自储氢模块63中的气体压力，减压电磁阀一632和减压电磁阀二633的减压范围分别为(1～Pmax)MPa(Pmax与储氢模块中的设计最大压力略低或一致)、(0.1～1000)kPa，用于实现储氢模块63中高压气体的减压，并通过进气阀612控制储氢模块63中的氢气向缓冲罐一61的输送；

所述缓冲罐二62通过氢气管路分别与缓冲罐一61、燃料电池供氢管路相连。

所述缓冲罐二62设计许用最大压力为20MPa，上装有压力传感器和氢气浓度传感器和温度传感器，用于监测氢气的浓度和气体状态；通过进气电磁阀41、减压电磁阀43和减压电磁阀44向燃料电池供氢管路进行供氢。

所述储氢模块63上装有温度传感器和压力表，通过进气阀60向其中供气。

所述吊舱2底部及边缘内装有安全气囊5，在飞艇回收时避免突发事件(吊舱与地面剧烈碰撞)导致氢气泄漏、产生氢气爆炸的风险。

所述其他气体存储与供气模块7内装一种或多种卤代甲烷，内部压力最大能达到10MPa，并通过进气电磁阀71和减压电磁阀72向主气囊二12中进行气体供应。

使用方法为：

(1)地面充气过程。在地面充气阶段，为保证氢气使用的安全性，将氢气事先通过进气阀60充于储氢模块63中。充气时，先将主气囊二12中充入预定体积的卤代烷烃，具体实施是打开其他气体存储与供气模块7的进气电磁阀71和减压电磁阀72，通过管路向主气囊二12中进气，充气完毕后关闭进气电磁阀71。之后，再向主气囊一11中充入氢气。具体实施是事先对主气囊一11抽真空，打开进气电磁阀631、进气电磁阀611、进气电磁阀616、减压电磁阀632、减压电磁阀633，通过氢气管路，经缓冲罐一61向主气囊一11进行自动控制充气至一定压力，之后关闭所有的阀门件。充气先后的顺序保证了氢气充气过程的安全；之后再向副气囊13和囊体1中分别充入空气和氦气至指定压力，保证囊体的丰度。

(2)升空和驻空过程。白天受太阳辐射作用，主气囊一11内部氢气升温膨胀导致压差增大，超过最大设计使用值时，开启进气阀616，释放一部分氢气到缓冲罐一61中，之后关闭进气阀616。夜间主气囊一11氢气降温收缩，气囊压差减小到设计边界时，打开进气电磁阀631、进气电磁阀611、进气电磁阀616、减压电磁阀632、减压电磁阀633，由缓冲罐一61和储氢模块63组合经氢气管路向主气囊一11中释放氢气，达到指定的压力，然后关闭所有阀件。联合充气的目的是保证充入的氢气压力略高于原主气囊一11中的压力，使得充气过程顺利实现。

(3)回收过程。打开进气电磁阀616、进气电磁阀612、进气电磁阀622、减压电磁阀43、减压电磁阀44，将主气囊一11中的氢气经氢气管路释放至缓冲罐一61内，并通过压缩机614和增压泵613进入缓冲罐二62，然后通过氢气管路624，进入燃料电池中充当工质，为动力系统供电，加快飞艇的回收速度。

当氢气作为浮升气体时，通过氢气缓冲装置6、储氢模块63实现主气囊一11中氢气的充放。在升空和驻空阶段，由于温差变化需要释放部分氢气，可将这部分氢气通过管路收集到缓冲罐一61中；当需要补充氢气时，通过压力调控，从缓冲罐一61和储氢模块63中可释放出部分氢气以弥补氢气的不足，以维持净浮力至一定值，节能环保，经济效益高。

当氢气作为燃料时，通过缓冲罐一61、储氢模块63、主气囊一11、缓冲罐二62为氢燃料电池提供氢气。通过消耗氢气使得飞艇的净浮力减小，高度逐渐下降，进而达到回收的目的。这提高了飞艇的储存燃料上限，大幅度提高飞艇工作时长。

为了保持主气囊一11中氢气渗漏的安全性，向主气囊二12充入卤代甲烷，降低氢气的爆炸极限。

飞艇吊舱2底部及边缘内装装有安全气囊5，增加了飞艇的安全性。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包括这些改动和变形在内。