基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇

技术领域

本发明涉及航空领域，特别是一种基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇。

背景技术

飞艇属于浮空器的一种，飞艇的气囊中充有比空气密度更小的气体（一般采用氦气）来为飞艇提供浮力从而使飞艇飞起来。

飞艇的主要结构是气囊、副气囊、吊舱、发动机、尾翼等。飞艇形式多样，一般可分为硬式飞艇、软式飞艇和半硬式飞艇。

对流层是地球大气层中最贴近地球表面的一层，其主要由氮气、氧气、二氧化碳等组成，且组成成分比较均匀。因而，对流层中大气密度大，且充满大气的对流运动。

另外，重要的是：90%以上的水汽均集中在对流层中，也就是说，在对流层中水蒸气的含量极为丰富，在对流层经常会出现云雨雪等天气。

当飞艇在对流层工作时其有效载荷上会有冷凝水的出现，从而大大降低了相关载荷的精度甚至严重的会减少载荷使用寿命。

另外，飞艇的常规蒙皮材料不可能完全的密封，所以必定会或多或少的蒙皮内气体从艇内跑出，从而导致飞艇浮力的下降，影响飞艇的正常工作，也影响了飞艇的运行寿命。

飞艇在发动机工作的过程中会不断地消耗燃料，也就造成了飞艇的质量随着燃料的消耗而降低，同一位置浮力看做不变，综合考虑飞艇会有“飘”的现象，对飞艇的飞行与漂浮造成一定的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇，该基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇能有效利用对流层中所富含的水蒸气，在防止冷凝水对飞艇有效载荷影响的同时，通过将水蒸气电离形成的氢气，实现对飞艇充气或提供动力推力，从而能够提高飞艇动力系统使用的容错率，且能采用常规蒙皮，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇，包括飞艇本体、水蒸气收集装置和水电离装置。

飞艇本体的尾部设置有发动机，发动机用于向飞艇提供推力。

飞艇本体的前侧底部设置有导气口，飞艇本体的后侧底部设置有排气口。

水蒸气收集装置包括排气管道、吸水材料、水体收纳槽和脱水组件。

排气管道设置在飞艇本体的内腔中，排气管道的一端安装在导气口处，排气管道的另一端安装在排气口处。

吸水材料填充在靠近导气口处的排气管道中。

水体收纳槽设置在吸水材料下方的排气管道中。

脱水组件用于将吸水材料中的水体脱离至水体收纳槽中。

水电离装置包括进水端、氢气管路一和氧气管路。

进水端通过导水管与水体收纳槽相连接。

氢气管路一与设置在飞艇本体内腔中的氢气储存瓶相连接，氢气储存瓶通过氢气管路二连接发动机的燃料进口。

氧气管路的尾端伸入位于吸水材料下游的排气管道中。

还包括气压传感器和PID控制阀。

气压传感器安装在飞艇本体的内腔中，用于监测飞艇本体内腔的气体压力。

氢气管路一上设置有朝向飞艇本体内腔的氢气支路。

PID控制阀设置在氢气支路上，且与气压传感器相连接。

氧气管路上设置有加压泵。

吸水材料为亲水性MOFs材料。

亲水性MOFs材料的吸附拐点为0%RH。

飞艇本体的顶部设置有太阳能电池，太阳能电池能向水电离装置提供电能。

脱水组件为伸缩板或加热器。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明中的吸水材料的设置，能有效利用对流层中所富含的水蒸气，能够一定程度上减少飞艇有效载荷周围的水蒸气含量，减少载荷表面冷凝水的产生，进而保证其更高的精度和更长的使用寿命。

2、上述脱水组件用于将吸水材料中的水体脱离，脱离后的水体通过导水管进入水电离装置中，电离成氢气和氧气，电离后的氢气，一方面，能对飞艇进行充气，从而飞艇降低了蒙皮材料的密闭性要求，进而降低成本；另一方面，能向飞艇的发动机提供动力推力，从而能够提高飞艇动力系统使用的容错率。

3、本发明能通过排气或燃烧，为飞艇提供动力，减少飞艇直接燃烧燃料造成燃料重量和飞艇整体重量下降带来的影响。

附图说明

图1显示了本发明一种基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇的结构示意图。

其中有：

10.飞艇本体；11.发动机；12.太阳能电池；13.导气口；14.排气口；

20.水蒸气收集装置；21.排气管道；22.吸水材料；23.水体收纳槽；24.脱水组件；

30.水电离装置；31.导水管；32.氢气管路一；321.PID控制阀；33.氧气管路；331.加压泵；34.氢气贮存瓶；35.氢气管路二；

40.气压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于水蒸气收集和电离的可控柔性飞艇，包括飞艇本体10、水蒸气收集装置20、水电离装置30和气压传感器40。

飞艇本体的尾部设置有发动机11，发动机的设置，为现有技术，用于向飞艇提供推力。

飞艇本体的顶部优选设置有太阳能电池12，进一步优选为柔性薄膜太阳能电池。

飞艇漂浮在空中，白天有太阳时，飞艇可以略调整姿态倾斜角度使飞艇前上表面的柔性薄膜太阳能电池充分接受阳光照射，充分吸收太阳能并转换为电能，一部分能用于向水电离装置等用电设备进行供电，另一部分储存到太阳能电池中，到了夜晚没有太阳光照射时，柔性薄膜太阳能电池不工作，太阳能电池放电向水电离装置等用电设备进行供电。

柔性薄膜太阳能电池的表面优选附有保护膜，在不影响电池收集太阳能的前提下保护其不受雨水、雪雹、雷电、风破坏而正常工作。

飞艇本体的前侧底部设置有导气口13，飞艇本体的后侧底部设置有排气口14。

水蒸气收集装置包括排气管道21、吸水材料22、水体收纳槽23和脱水组件24。

排气管道设置在飞艇本体的内腔中，排气管道的一端安装在导气口处，排气管道的另一端安装在排气口处。

吸水材料填充在靠近导气口处的排气管道中，吸水材料优选为金属有机框架材料。

金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）是一种有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装而成的一种材料。具有高比表面积、高孔隙率及可调孔结构等特点，多用于气体的吸附、分离或者催化等方面。

在飞艇领域，水蒸气其实是一种很有利用价值的资源，用优质MOFs来收集水蒸气，这就要求了这种MOFs材料具有水稳定性保证遇水不分解和亲水性可以高效地吸收水蒸气。

MOFs的稳定性通常由硬碱类配体和硬酸类金属离子或软碱类配体和软酸类金属离子配对构筑而决定，这样的金属有机框架材料具有更好的稳定性，保证材料集水的正常进行。否则材料内的配位键会被水分子破坏，导致材料不再具有完整的结构。

MOFs材料对水的吸附因素有三，分别是未配位的开放金属位点对水分子的化学吸附；水分子在材料表面和孔道中的物理吸附；孔道中发生水蒸气的毛细凝聚。其中MOFs材料对水吸附能力的强弱根据其吸附拐点来界定，吸附拐点为0%RH的为强亲水性MOFs，小于40%RH的为亲水性MOFs，40-60%RH的为中等亲水性MOFs，大于60%RH的为疏水性MOFs。

本申请中，吸水材料优选为吸附拐点为0%RH的亲水性MOFs材料，进一步优选为Uio-66-NH

水体收纳槽设置在吸水材料下方的排气管道中。

脱水组件用于将吸水材料中的水体脱离至水体收纳槽中，脱水组件优选为伸缩板或加热器等。本实施例中，优选为安装在吸水材料顶部且呈弧形的伸缩板。

位于伸缩板顶部的排气管道具有向上的凸起，伸缩板收缩时，收纳在吸水材料顶部，伸缩板的内表面与排气管道的内表面相齐平，伸缩驱动装置位于排气管道的凸起内腔中。

进一步，飞艇本体上还设有风向传感器和湿度传感器。

风向传感器用于检测飞艇外周的环境风向，根据检测的环境风向，调整飞艇的姿态，使得飞艇的导气口处于迎风状态，便于水蒸气的快速吸收。

全天飞艇都处于大气环境中的对流层，对流层中有对流风吹过飞艇，气体通过飞艇前端底部的导气口进去飞艇中，被排气管道引向强亲水性的MOFs材料，MOFs材料吸收对流层中的水蒸气，干燥后的对流层气体顺着排气管道从排气口离开飞艇。

温度传感器用于检测飞艇外周的空气湿度，根据检测的环境中的空气湿度，确定脱水组件的启动时机，也即判断MOFs材料的吸水饱和度。

当MOFs材料的吸水饱和度接近或达到饱和时，脱水组件启动，也即伸缩板向下伸长，挤压MOFs材料，从而将MOFs材料中的水体脱离至水体收纳槽23中。

水电离装置包括进水端、导水管31、氢气管路一32、PID控制阀321、氧气管路33、加压泵331、氢气贮存瓶34和氢气管路二35。

进水端通过导水管与水体收纳槽相连接，将水体收纳槽的水体引流至水电离装置中，进行电离形成氢气和氧气。

其中，电离产生的氢气经过氢气管路一与设置在飞艇本体内腔中的氢气储存瓶相连接，氢气储存瓶通过氢气管路二连接发动机的燃料进口，能够作为飞艇姿态控制动力系统的燃料，待飞艇需要时在大气中的氧气中燃烧产生高速气体喷出发动机产生推力，为飞艇提供动力，实现飞艇的姿态控制与位置的移动。

进一步，氢气管路一上设置有朝向飞艇本体内腔的氢气支路，PID控制阀设置在氢气支路上，且与气压传感器相连接。

气压传感器安装在飞艇本体的内腔中，用于监测飞艇本体内腔的气体压力。

正常时，PID控制阀处于关闭状态，当气压传感器监测到飞艇本体内腔中气体压力低于设定值时，PID控制阀开启，电离产生的氢气经过氢气管路一和氢气支路进入飞艇本体内腔，向飞艇本体内腔补充氢气，以补偿因蒙皮材料泄漏或逸出的气体，而无需使用昂贵密封性好的蒙皮材料，节约成本。

氧气管路的尾端伸入位于吸水材料下游的排气管道中，氧气管路上优先设置有加压泵。正常状态是，氧气通过排气管道从排气口直接排出回到大气中。当需要调整飞艇姿态时，可通过加压泵加压氧气，加压后氧气通过排气口排放，产生反推力，用于帮助飞艇姿态控制倾斜角度，帮助调整好柔性薄膜太阳能电池的角度，如果不需要时，则可以加压为飞艇提供位置移动的推力。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。