本發(fā)明涉及一種含有氫氣調(diào)節(jié)裝置的平流層飛艇，屬于平流層飛艇的浮力調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

平流層飛艇是一種輕于空氣的臨近空間飛行器，工作高度在20公里左右，能長時間定點駐空，非常適合作為新型信息平臺，用來進行寬帶通信、高精度對地觀測、區(qū)域預(yù)警等，已成為目前國內(nèi)外的研究熱點。

飛艇在運行過程中必須滿足兩個平衡，一個是壓力平衡，一個是浮重平衡。壓力平衡是飛艇內(nèi)外壓差必須保持在一定范圍內(nèi)如500pa左右。浮重平衡是飛艇總浮力和總重力滿足飛艇升/駐/返需要達到一定量值。壓力平衡和浮重平衡由于艇內(nèi)溫度變化規(guī)律的影響造成兩種平衡不能同時可靠，致使飛艇無法正常運行，如上升過程中艇內(nèi)溫度過低致使保形空氣太多造成飛艇總重力太大，總浮力無法平衡總重力致使飛艇很難上升；下降過程中艇內(nèi)溫度過高造成艇內(nèi)外壓差過高致使無法鼓入空氣，造成飛艇無法產(chǎn)生足夠的凈重力下降；駐空過程中白天艇內(nèi)溫度上升，為了保持浮力，艇內(nèi)外壓差非常大致使蒙皮無法承受。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種含有氫氣調(diào)節(jié)裝置的平流層飛艇。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種含有氫氣調(diào)節(jié)裝置的平流層飛艇，平流層飛艇中的艇身內(nèi)部包括氫氣囊和空氣囊，氫氣囊中帶有頭罩，頭罩內(nèi)帶有壓力傳感器；

平流層飛艇中的吊艙中帶有浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)和儲氫壓艙物；

所述的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括氫氣處理系統(tǒng)、燃料儲箱、空氣存儲器、燃料電池、能源管理系統(tǒng)、鋰電池、水電解器、氫氣凈化器和水存儲器；

氫氣處理系統(tǒng)通過管道與頭罩連接，氫氣處理系統(tǒng)通過管道與燃料儲箱連接，燃料儲箱通過管道與燃料電池相連，空氣存儲器通過管道與燃料電池相連，燃料電池通過管道與水存儲器相連，燃料電池通過電纜與能源管理系統(tǒng)相連；

鋰電池通過電纜與能源管理系統(tǒng)連接，能源管理系統(tǒng)通過電纜與水電解器相連，水存儲器通過管道與水電解器相連，水電解器通過管道與氫氣凈化器相連，氫氣凈化器通過管道與氫氣處理系統(tǒng)相連；

儲氫壓艙物包括氫氣產(chǎn)生裝置、分離解鎖裝置和氣體閥門；

氫氣產(chǎn)生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液、水，下面一個空腔裝著NaBH₄粉末；隔離板上帶有液體閥門；

氫氣產(chǎn)生裝置通過分離解鎖裝置固定連接在吊艙外面，打開分離解鎖裝置時氫氣產(chǎn)生裝置從吊艙上拋出；

氫氣產(chǎn)生裝置與氫氣處理系統(tǒng)之間通過管路連接，管路上有氣體閥門；

氫氣處理系統(tǒng)與氫氣囊中的頭罩通過管路連接，從氫氣處理系統(tǒng)中的氫氣通過頭罩進入到氫氣囊中。

氫氣處理系統(tǒng)包括氫氣壓縮機和增壓鼓風(fēng)機；

燃料儲箱用于儲存高壓氫氣；

能源管理系統(tǒng)用于將燃料電池產(chǎn)生的電能輸送給鋰電池，并將鋰電池的電能應(yīng)用到水電解器中；

氫氣凈化器用于將水電解器產(chǎn)生的氫氣進行干燥、凈化；

水存儲器用于存儲燃料電池產(chǎn)生的水，并根據(jù)需要將水輸送給水電解器。

氫氣產(chǎn)生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑(催化劑為Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、強酸溶液(強酸溶液為鹽酸溶液)、純凈水，下面一個空腔裝著NaBH粉末；隔離板上帶有液體閥門。

氫氣產(chǎn)生裝置為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為三個空腔，其中上面兩個空腔，下面一個空腔，上面兩個空腔分別裝著催化劑(催化劑為Ni、Ag、MnO2、Co-B-BM、Co-B-W或Co-B-E)、強酸溶液(強酸溶液為鹽酸溶液)，下面一個空腔裝著NaBH水溶液；隔離板上帶有液體閥門。

分離解鎖裝置為爆炸螺栓。

分離解鎖裝置為可控解鎖掛鉤。

與氫氣產(chǎn)生裝置連接的管路之間的作用力小于氫氣產(chǎn)生裝置的重力，即當(dāng)氫氣產(chǎn)生裝置從吊艙上脫落時，氫氣產(chǎn)生裝置與管路就會斷開。

空氣存儲器中還包括一個空氣壓縮機，空氣存儲器與空氣囊通過管路連接，當(dāng)燃料電池所需的空氣不足時，空氣存儲器就會提供空氣給燃料電池，同時，空氣囊中的空氣也會進入到空氣存儲器中，并通過空氣存儲器中的空氣壓縮機進行壓水電解器產(chǎn)生的氫氣通過管道與空氣囊連接，將氫氣輸送到空氣囊中，使空氣囊中的空氣成為富氧空氣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的平流層飛艇帶有浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖2為本發(fā)明的平流層飛艇帶有儲氫壓艙物的結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖3為本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的目的是提供一種新的飛艇大尺度浮力調(diào)節(jié)控制方法，解決平流層飛艇升/駐/返過程中的熱力學(xué)“超冷”、“超熱”問題和長期駐空浮升氣體泄漏補充問題。使用氫氣作為浮升氣體與能源系統(tǒng)進行一體化，使氫氣到水的氣液相變過程產(chǎn)生電能，盡量減少大尺度浮力調(diào)節(jié)帶來的能源消耗。通過以上創(chuàng)新設(shè)計能夠減小平流層飛艇設(shè)計尺寸，提高飛艇的載重能力，降低飛艇使用費用，增強能源系統(tǒng)性能，解決飛艇上升、下降、駐空過程中存在的熱力學(xué)問題。

針對平流層飛艇上升過程的“超冷”問題、下降過程的“超熱”問題、駐空過程的“晝夜溫差”問題、長期駐空浮升氣體泄漏問題，嚴重影響平流層飛艇達到“放飛上升、定點駐留、下降返場”的基本目標。本發(fā)明提供一套安全可靠的工程化系統(tǒng)解決方案。典型技術(shù)特色如下所述。

(1)浮升氣體與能源系統(tǒng)一體化

①為了能夠較大范圍的調(diào)節(jié)飛艇的浮重能力，徹底解決熱力學(xué)中的“超冷”、“超熱”問題；②上升過程不用多充入氦氣，下降過程不用放氦氣，徹底解決傳統(tǒng)方法浪費氦氣的問題；③平流層飛艇長期駐空，浮升氣體泄漏后會失去凈浮力，需要補充泄漏的浮升氣體。采用浮升氣體與能源系統(tǒng)一體化方案，此方案中浮升氣體含有氫氣。配備以氫作燃料的燃料電池產(chǎn)生電能以減少系統(tǒng)調(diào)整浮力過程中水電解消耗的能量，燃料電池工作將艇內(nèi)氫氣轉(zhuǎn)化為水增加飛艇系統(tǒng)凈重力。配備水電解器產(chǎn)生艇內(nèi)氫氣增加飛艇系統(tǒng)凈浮力。根據(jù)平流層飛艇升/駐/返過程中浮重平衡需要調(diào)整艇內(nèi)氫氣的質(zhì)量。

(2)艇上不攜帶專門的氧氣存貯設(shè)備

①不攜帶高壓氧氣及氧氣罐，為平流層飛艇系統(tǒng)設(shè)計減重；②直接從空氣中提取氧氣經(jīng)燃料電池作用產(chǎn)生水，使平流層飛艇凈重力調(diào)節(jié)更有效；③水經(jīng)過電解器后將產(chǎn)生的氧氣排放到空氣囊中，空氣囊排出空氣，空氣囊內(nèi)具有富氧空氣，使平流層飛艇凈浮力調(diào)節(jié)更有效。對于燃料電池堆與大氣中氧反應(yīng)，在低空可以與空氣中的氧氣進行反應(yīng)，在平流層由于臭氧濃度高，可與臭氧進行反應(yīng)。

(3)含氫量高的化學(xué)物質(zhì)儲存氫氣

①上升過程中，水電解產(chǎn)生氫氣速度較慢，滿足不了飛艇快速上升抗拒“超冷”提升凈浮力的用氫需要；②上升過程需要持續(xù)補充氫氣，地面一次性補充氫氣會導(dǎo)致凈浮力過大，飛艇起步上升速度過快，造成艇結(jié)構(gòu)損壞。該設(shè)備取名儲氫壓艙物，一方面，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，提供持續(xù)凈浮力增加，另一方面，在上升過程的11km高度，拋掉產(chǎn)生氫氣完成后的剩余物質(zhì)，起到拋壓艙物的效果，進行階躍凈浮力增加控制。本方案采用含氫量高的化學(xué)物質(zhì)儲存氫氣，化學(xué)物質(zhì)如金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫、有機物儲氫等。通過含氫量高的化學(xué)物質(zhì)儲存在較小空間中，在需要充氣展開時，利用含氫量高的化學(xué)物質(zhì)與其它反應(yīng)物在適合的環(huán)境中混和產(chǎn)生氫氣。化學(xué)反應(yīng)使氫氣快速產(chǎn)生充入氫氣囊中，形成快速大范圍浮力增加控制。化學(xué)反應(yīng)速度可以通過催化劑和溶液PH值來調(diào)節(jié)，因此放氫氣的速度是可通過催化劑和穩(wěn)定劑進行調(diào)節(jié)的，同時通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物的劑量也可以控制氫氣的產(chǎn)生速度。

本發(fā)明在常規(guī)平流層飛艇氦氣囊空氣囊設(shè)計基礎(chǔ)上增加一個浮升調(diào)節(jié)氣囊氫氣囊的部署，浮升調(diào)節(jié)氣囊用于可控質(zhì)量氫氣的存放，從而大范圍調(diào)整飛艇浮力變化。以下對平流層飛艇升/駐/返過程中本發(fā)明使用工作原理進行闡述。

參考美國聯(lián)邦航空局1987年頒布了FAA－P－8110－2《飛艇設(shè)計準則》(1995年第二次修訂)，我國民用航空總局1997年頒布了《飛艇適航標準》(AC－21－09)，以及英國Lindstrand公司(承擔(dān)歐空局臨近空間飛艇設(shè)計)的飛行要求和階段劃分，初步將臨近空間飛艇整個飛行過程分為飛行前準備、起飛段、低空機動段、上升段、高度逼近段、高空機動段、定點駐空段、下降段、低空機動段、著陸段。

在地面轉(zhuǎn)運階段，浮升調(diào)節(jié)氣囊中不存在氫氣，飛艇內(nèi)只有空氣和氦氣，飛艇處于微凈重力狀態(tài)，適合地面轉(zhuǎn)運。

在上升階段，儲氫壓艙物掛在吊艙上，通過化學(xué)反應(yīng)向浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)充入氫氣，飛艇增加凈浮力，開始上升，上升過程中，在0～11km高度范圍內(nèi)，浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)持續(xù)進行水電解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，由于環(huán)境補能影響，主要由勢能增加導(dǎo)致的平流層飛艇“超冷”現(xiàn)象不是太嚴重，此時，通過儲氫壓艙物持續(xù)化學(xué)反應(yīng)放出氫氣來補充由于“超冷”現(xiàn)象艇內(nèi)氣體體積減小。在儲氫壓艙物持續(xù)放出氫氣的過程中，飛艇能夠保持持續(xù)上升，到11km高度，飛艇進入同溫層，飛艇將失去環(huán)境補能的影響，環(huán)境溫度在11km處于間斷點，平流層飛艇上升過程“超冷”現(xiàn)象從這一點開始更加嚴重，上升過程中的各種物理特性從此點開始發(fā)生階躍變化，因此，從此高度點開始，平流層飛艇需要拋下吊艙掛載的已經(jīng)化學(xué)反應(yīng)完全放完氫氣的儲氫壓艙物，拋儲氫壓艙物對重力來說是一個間斷變化過程，因此，彌補了11km高度溫度間斷點帶來的問題。

在上升過程中的11km～19km高度范圍內(nèi)，浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)持續(xù)進行水電解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，通過補充氫氣囊氫氣來抗拒“超冷”現(xiàn)象。

在從19km～20km上升過程中，飛艇慣性力較大，要提前進行減速，浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的氫氣轉(zhuǎn)化為水，逐步消除凈浮力的存在，并且根據(jù)艇內(nèi)氣體溫度上升造成的艇內(nèi)外壓差增加，逐步將艇內(nèi)氫氣轉(zhuǎn)化為水，使飛艇保持浮重平衡。此過程是氫氣轉(zhuǎn)化為水的發(fā)電過程，正好解決由于上升造成的能源消耗問題。

在駐空階段，平流層飛艇受到太陽輻射、地面反照、地面紅外輻射等復(fù)雜環(huán)境影響造成艇內(nèi)氣體晝夜溫差現(xiàn)象，夜間艇內(nèi)氣體溫度較低，浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)充入氫氣，保持飛艇浮重平衡，早上太陽輻射產(chǎn)生時，艇內(nèi)氣體溫度升高，為了保持艇內(nèi)外壓差在一定范圍內(nèi)(500pa左右)，浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氫氣逐步轉(zhuǎn)化為水，屬于發(fā)電過程，向鋰電池充電，部分解決夜間能源消耗問題。在中午12點附近，太陽輻射逐步減弱，此時為了保持艇內(nèi)外壓差平衡，利用太陽能電池充電過程進行水電解，使浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氫氣逐步增加，為了更有效利用太陽能，減輕鋰電池系統(tǒng)負擔(dān)，接近夜間還能獲取太陽能時，加快電解速度，使浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氫氣質(zhì)量達到夜間需求量，在艇內(nèi)氣體溫度還較高情況下，可以微量增加艇內(nèi)外壓差，并可以使飛艇上升到一定高度。

在準備進入下降階段，為了使飛艇能夠下降，隨時能夠處于凈重力狀態(tài)，在中午12點附近浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)需要保留一定量的氫氣，下降的最佳時間在鋰電池系統(tǒng)充滿電，太陽輻射消失的傍晚時刻，浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氫氣快速轉(zhuǎn)化為水，產(chǎn)生的電能用于增加飛艇空速，減弱由于下降造成的“超熱”現(xiàn)象，此時飛艇處于凈重力狀態(tài)。

在下降過程中，20km～11km高度快速將浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氫氣轉(zhuǎn)化為水，穿越西風(fēng)急流區(qū)，在11km下，由于環(huán)境補能作用，下降過程的“超熱”現(xiàn)象會更加嚴重，此時，繼續(xù)利用在艇上剩余儲備的儲氫壓艙物，儲氫壓艙物中的儲氫化合物(NaBH4粉末)也可以做干燥劑使用，這種干燥劑可以吸收云層中的水分，使儲氫壓艙物重量增加，從而增加飛艇的凈重。

在飛艇快到地面階段，由于飛艇慣性力較大，需要提前進行減速，同時存在嚴重“超熱”現(xiàn)象，此時可以通過水電解、儲氫壓艙物繼續(xù)放氫氣、拋儲氫壓艙物、利用“超熱”現(xiàn)象對飛艇進行減速。使飛艇有時間機動到艇庫附近。

總之，氫氣作為浮升調(diào)節(jié)氣體的方法可以有效解決飛艇升/駐/返過程中的“超冷”、“超熱”現(xiàn)象，使平流層飛艇達到“放飛上升、定點駐留、下降返場”的基本目標。

(1)浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)

A.本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是

徹底解決“升/駐/返”過程中“超冷”、“超熱”問題。平流層飛艇在“升/駐/返”的過程中，在0～20km高度范圍內(nèi)飛行，高度范圍跨度大，總浮力變化達十幾倍；由于熱力學(xué)膨脹和壓縮過程，以及與周邊環(huán)境的傳熱傳質(zhì)，造成飛艇內(nèi)浮升氣體和空氣會產(chǎn)生“超熱”和“過冷”現(xiàn)象，例如，上升過程中，由于艇內(nèi)氣體隨外界大氣壓力降低產(chǎn)生熱力學(xué)膨脹，在絕熱條件下，空氣和氦氣分別會產(chǎn)生約9.8℃/km和13.6℃/km的降溫，而外界大氣溫度變化僅為6.5℃/km(0～11km)或0℃/km(11～20km)，因此，在0～11km高度范圍，艇內(nèi)氦氣和空氣會產(chǎn)生3.3℃/km和7.1℃/km的過冷，在11～20km高度范圍，艇內(nèi)氦氣和空氣會產(chǎn)生9.8℃/km和13.6℃/km的過冷，而地面1℃的過冷會產(chǎn)生約1,620kg的凈重(若艇體積400,000m3)；另外，在駐空期間，白天由于太陽輻射的影響，飛艇內(nèi)部氣體會產(chǎn)生超熱現(xiàn)象，這一方面會使氦氣膨脹，有可能超過允許的艇體體積，另一方面，會使得氦氣密度降低，同時排出更多的空氣，會產(chǎn)生數(shù)噸的凈浮力(過熱30K,體積400,000m3，約產(chǎn)生4噸的凈浮力)，為使飛艇高度不變，需通過調(diào)節(jié)手段，保持凈浮力為零。因此，大范圍(數(shù)噸)快速浮力調(diào)節(jié)技術(shù)是“升/駐/返”的核心關(guān)鍵技術(shù)。

在上升過程中遭遇“超冷”現(xiàn)象，如果不采取干預(yù)手段，飛艇無法上升。

B.在駐空階段氫氣與氨氣作為飛艇浮升調(diào)節(jié)氣體的比較

夏至，若調(diào)節(jié)氣體為氨氣，最大回收速率為0.3265kg/s，最大釋放速率為0.3253kg/s。夏至，若調(diào)節(jié)氣體為氫氣，最大回收速率為0.0386kg/s，最大釋放速率為0.0385kg/s。

采用氫氣作為調(diào)節(jié)氣體在計算氣化消耗能量時，需要扣除氫氣液化能產(chǎn)生的能量，而且使用氫氣可以減小飛艇體積，降低抗風(fēng)阻力，減少艇內(nèi)晝夜能源循環(huán)需求量，因此，氫氣作為調(diào)節(jié)氣體是比較節(jié)能的選擇。

C.浮升調(diào)節(jié)氣囊配合太陽輻射上升方案有效性

若選擇太陽日為172(夏至)，11點開始放飛，2.65小時到達20km高度。

D.浮升調(diào)節(jié)氣囊配合加大空速下降方案有效性

若飛艇以18m/s的合速度運動，并充分利用氣動升力，且氣動升力為4500N。飛艇下降到2km需要的時間為4.04小時，其中下降到11km花費時間1.07小時。從以上分析來看，飛艇垂直向下力和合速度對飛艇下降能力具有較大影響，因此平流層飛艇推進系統(tǒng)，特別是適合于從上到下具有較大推力的推進系統(tǒng)在平流層飛艇設(shè)計中非常關(guān)鍵。同時，在不同高度分配垂直向下力和合速度的數(shù)值，使其進行優(yōu)化組合，能夠較大幅度增強飛艇的下降能力。

(2)儲氫壓艙物

A.多種儲氫化學(xué)物質(zhì)比較

配位氫化物儲氫具有生成氫氣需要的環(huán)境簡單、儲氫量高、反應(yīng)可控等優(yōu)點，因此是優(yōu)選方案，為了說明本方案的效果，對配位氫化物的儲氫量，占用體積，反應(yīng)環(huán)境，反應(yīng)生成氫氣量和反應(yīng)速度進行分析。配位氫化物儲氫量如下表所示：

由上表可知，硼氫化鈉的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度都不是最高，但是對硼氫化鈉的研究和應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，因此進行效果分析選擇硼氫化鈉較為合適。

B.NaBH₄水解反應(yīng)的優(yōu)勢

NaBH₄是一種強還原劑，在有機化學(xué)和無機化學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用，工業(yè)上廣泛用于制藥，也用作布料染料、精細有機合成、木漿漂白、非金屬及金屬材料的化學(xué)鍍膜、磁性材料制造、貴金屬回收、工業(yè)廢水處理等等方面。目前NaBH₄的全球年產(chǎn)量約為5000～6000噸，美國90％的硼氫化鈉是由凡特朗公司生產(chǎn)的。德國的拜耳公司也有少量NaBH₄生產(chǎn)。

硼氫化鈉和水組成的反應(yīng)體系可提供純凈、增濕的氫源；室溫下可用塑料容器常壓存儲；自身及副產(chǎn)物對環(huán)境無害，與其他燃料相比具有更低的易燃性和爆炸性；硼氫化鈉水溶液在空氣中可穩(wěn)定存在達數(shù)月之久。

其水溶液的穩(wěn)定性可以由溶液溫度和pH值來進行調(diào)節(jié)。當(dāng)加入特定催化劑的時候，硼氫化鈉可以迅速地發(fā)生水解反應(yīng)，釋放出大量高純度的氫氣，其反應(yīng)按下式進行：

NaBH₄+2H₂O→NaBO₂+4H₂(ΔH＝-300kJ)

采用NaBH₄制氫具有以下一些特點：

儲氫容量高，硼氫化鈉的飽和水溶液濃度可達35％，此時的儲氫量為7.4wt％；

NaBH₄水溶液具有阻燃性，并且在加入穩(wěn)定劑后能夠穩(wěn)定存在于空氣中；

溶液需要特定的催化劑來進行引發(fā)，可快速釋放出氫氣；

反應(yīng)的引發(fā)可以在低溫下進行，不需要外部提供額外能量；

反應(yīng)的副產(chǎn)物NaBO₂對環(huán)境無污染，并且可以作為合成NaBH₄的原料進行回收再利用；

產(chǎn)生的氫氣純度高，不含其他雜質(zhì)，只有少量的水分；

氫氣產(chǎn)率高，NaBH₄基本可以完全反應(yīng)；

直至氫氣全部放出為止，反應(yīng)速度幾乎保持不變。

NaBH₄是一種無毒的白色晶狀粉末，摩爾質(zhì)量為37.83g/mol，密度為1.0740g/cm³，本身儲氫容量為10.8wt.％。

C.NaBH₄水解控制氫氣產(chǎn)生速度的方法

上面生成氫氣的反應(yīng)在沒有催化劑的情況下也能進行，其反應(yīng)速度依賴于溶液的PH值和溫度。Kreevoy等人發(fā)現(xiàn)，這一速度由下面公式?jīng)Q定：

lgt_1/2＝pH-(0.034T-1.92)

式中t_1/2是半衰期(NaBH4水溶液分解1/2的時間)，以min為單位；T是絕對溫度，以K為單位。

若在高空溫度較低的環(huán)境下，反應(yīng)物水的pH值應(yīng)該盡量低，使成酸性。

NaBH₄的水解反應(yīng)實際上是溶液中兩種不同價態(tài)中間物(H⁺、BH₄^-)之間的反應(yīng)。如果溶液中H⁺濃度太低，NaBH₄溶液水解反應(yīng)的速度會大大降低，因此堿性環(huán)境可以抑制NaBH₄水溶液水解的原因。但是通過催化劑調(diào)節(jié)可以加速NaBH₄的水解反應(yīng)。如下為部分催化劑的效應(yīng)。

D.NaBH₄儲氫效能

NaBH₄摩爾質(zhì)量為37.83g/mol，密度為1.0740g/cm³，本身儲氫容量為10.8wt.％。硼氫化鈉的飽和水溶液濃度可達35％，若水密度按照1g/cm³，NaBH₄飽和水溶液密度為1.3759*10³kg/m³，溶液儲氫量為7.4wt％，因此溶液儲氫密度為101.8166kg/m³。

NaBH₄飽和水溶液生成氫氣并不是在一定體積條件下生成氫氣量最多的反應(yīng)方案，但是其主要優(yōu)點在于目前應(yīng)用較為成熟，反應(yīng)速度的控制容易實現(xiàn)。除了NaBH₄飽和水溶液反應(yīng)外，NaBH₄與HCl溶液反應(yīng)也能快速產(chǎn)生氫氣，但是反映速度需要通過專門的設(shè)備控制。

浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)實施方式

氫氣囊被氦氣囊覆蓋，這樣更加有利于氫氣囊的安全性，由于氫氣是艇內(nèi)最輕氣體，氫氣囊頂著飛艇頂端，飛艇囊體頂部需要做安全處理。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，氫氣通過一條管道連接氫氣囊和氫氣回收釋放系統(tǒng)。氫氣回收釋放系統(tǒng)類似于再生燃料電池，只是不攜帶專門的氧氣存儲系統(tǒng)，將艇內(nèi)一級壓縮含氧空氣進行二級壓縮后儲備以供燃料電池使用，從副氣囊抽取空氣借助鼓風(fēng)機實現(xiàn)一級壓縮有利于系統(tǒng)的簡化，提高燃料電池效率。由于不攜帶氧氣存儲系統(tǒng)，水電解后的氧氣排到空氣囊中，排出的氧氣需要進行充分的水萃取，使其完全干燥后排出。為了更多獲取艇上水資源，副氣囊上鼓風(fēng)機中可安裝水萃取系統(tǒng)，提取空氣中的水分。

儲氫壓艙物系統(tǒng)實施方式

(1)儲氫壓艙物布局

儲氫壓艙物掛在吊艙外部，為配合浮重平衡，隨時可以拋下飛艇。另一方面，儲氫壓艙物能夠通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，通過氫氣處理系統(tǒng)將氫氣輸送給飛艇，補充飛艇必須的氫氣。

(2)儲氫壓艙物系統(tǒng)構(gòu)成

儲氫壓艙物系統(tǒng)通過充氣管向氫氣處理系統(tǒng)傳送氫氣，氫氣經(jīng)氫氣處理系統(tǒng)增壓增速后向飛艇浮升調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)充入氫氣。氫氣產(chǎn)生調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過反應(yīng)生成熱、反應(yīng)劇烈程度、對系統(tǒng)安全性影響、系統(tǒng)所處高度、系統(tǒng)“超冷”情況、已充入氫氣量等參數(shù)借助催化劑、反應(yīng)物混和量和反應(yīng)酸性等手段調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，從而控制氫氣的產(chǎn)生量。為了在有限的體積內(nèi)多生成氫氣，可以用NaBH₄粉末與水分離逐步在NaBH₄粉末中注入水反應(yīng)的方式，此方案還有一個好處是粉末狀的NaBH₄可以作為干燥劑，因此，具有大氣或云層中吸水的能力，適合在下降過程中使用。另一種方式是NaBH₄堿性水溶液儲存氫氣，通過催化劑與強酸調(diào)節(jié)反應(yīng)速度。

浮升氣體與能源系統(tǒng)一體化系統(tǒng)實施方式

燃料儲箱中的氫氣是高壓的氫氣，通過氫氣處理系統(tǒng)可以將氫氣囊中的氫氣與燃料儲箱中的高壓氫相互轉(zhuǎn)換，燃料儲箱中的高壓氫傳輸給燃料電池的反應(yīng)堆。高壓氫氣的燃料儲箱用于協(xié)助調(diào)整進入燃料電池氫氣的流速和壓力。

艇上沒有專門的氧氣存儲設(shè)備，水電解的氧氣直接排放到副氣囊中，副氣囊中的含氧空氣經(jīng)過高壓處理后存儲在含氧高壓空氣處理存儲器，等燃料電池需要時提供氧氣。

浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)類似于再生燃料電池系統(tǒng)，只是根據(jù)浮升調(diào)節(jié)氣囊尺寸和變化速度進行最小化的系統(tǒng)。平流層飛艇的主要電能還是儲存在鋰離子電池中，浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)在增加浮力電解水的過程需要鋰離子電池供電，在減小浮力燃料電池工作過程中向鋰離子電池充電。

(4)系統(tǒng)工作流程

A、上升過程的飛行策略

準備放飛段(0km)：通過儲氫壓艙物系統(tǒng)或?qū)ｉT的氫氣輸入系統(tǒng)將浮升調(diào)節(jié)氣囊中充入氫氣，多充部分浮升調(diào)節(jié)氣囊工質(zhì)，或提前啟動熱力循環(huán)裝置，增大“浮升調(diào)節(jié)氣囊”體積，拋掉部分儲氫壓艙物，使飛艇從凈重力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到凈浮力狀態(tài)。

上升初段(0km～11km)：0km～11km隨著高度的上升溫度逐漸降低，飛艇在上升過程中存在環(huán)境補能的影響，“超冷”現(xiàn)象不是很嚴重。在上升過程中，為應(yīng)對此階段的“超冷”導(dǎo)致的浮力損失，根據(jù)上升過程中的氣體溫差和上升速度進行反饋控制，一方面，通過“空氣囊”閥門控制空氣排氣流量，另一方面，通過“浮升調(diào)節(jié)氣囊”的熱力循環(huán)裝置，控制工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，逐步增大“浮升調(diào)節(jié)氣囊”的體積比例，滿足飛艇的凈浮力和壓力的雙重控制要求。

上升末段(11km～19km)：此段高度屬于同溫層，飛艇失去環(huán)境補能影響的同時，艇內(nèi)空氣大量排出飛艇總重減小，在11km間斷點附件，飛艇可拋下儲氫壓艙物使上升速度維持在一定范圍內(nèi)，其他操作與上升初段類似。穿越西風(fēng)急流區(qū)過程中，飛艇需要加速上升。

機動段(19km～20km)：飛艇上升到約19km高度時，通過液化調(diào)節(jié)氣囊工質(zhì)的方式，或啟動熱力循環(huán)逆過程，逐步降低“浮升調(diào)節(jié)氣囊”的體積比例，飛艇逐步減速，避免形成高度過沖導(dǎo)致囊體壓力過大，威脅飛艇安全。

B、高空駐留段飛行策略

在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內(nèi)氣體的溫度逐漸升高，為避免艇內(nèi)外壓力差增加，同時保證飛艇保持浮重平衡，實現(xiàn)高度定點，“浮升調(diào)節(jié)氣囊”啟動氫氣液化過程，逐步減小其體積比例，允許“浮升氣囊”逐漸膨脹，以抑制艇內(nèi)部氣體壓力增加，保證蒙皮安全；光照減弱后，飛艇內(nèi)囊氣體溫度逐漸降低，艇內(nèi)外壓力差降低，此時可逐步通過電解過程控制“浮升調(diào)節(jié)氣囊”的體積比例增大，保持艇內(nèi)外壓差控制在安全范圍內(nèi)。在夜晚，“浮升調(diào)節(jié)氣囊”處于低功耗或待機狀態(tài)。

C、下降過程的飛行策略

在正常返回下降工作模式中，飛艇不必在“超熱”最嚴重的正午啟動下降過程，而可以在內(nèi)外溫差較小的夜晚下降，這樣可以使飛艇獲得更大的凈重力。

在下降過程中，為應(yīng)對熱力學(xué)壓縮產(chǎn)生的“超熱”導(dǎo)致的浮力增大(凈重力減小)，根據(jù)下降過程中的氣體溫差和下降速度進行反饋控制，一方面，通過“空氣囊”閥門和風(fēng)機控制外部空氣的進氣流量，另一方面，通過“浮升調(diào)節(jié)氣囊”的液化循環(huán)裝置，控制工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，逐步減小“內(nèi)調(diào)節(jié)氣囊”的體積比例，滿足飛艇的凈重力和壓力的雙重控制要求。

接近地面時，可通過化學(xué)反應(yīng)方法快速釋放氫氣改變“內(nèi)調(diào)節(jié)氣囊”的體積比例，快速產(chǎn)生要求的凈浮力，避免拋扔艇上設(shè)備來實現(xiàn)減速著陸。

綜上所述，本發(fā)明提供的氫氣作為平流層飛艇浮升調(diào)節(jié)氣體的設(shè)計方案能夠安全可靠的解決平流層飛艇設(shè)計中能源余量浪費、大范圍調(diào)節(jié)浮重能力等問題，能夠解決平流層飛艇升/駐/返過程中的“超冷”、“超熱”現(xiàn)象，適用于平流層飛艇凈浮/重力調(diào)節(jié)，其應(yīng)用價值得到體現(xiàn)，已符合專利發(fā)明要求具備的新穎性、創(chuàng)造性、實用性。

實施例

如圖1和圖2所示，一種含有氫氣調(diào)節(jié)裝置的平流層飛艇，平流層飛艇中的艇身內(nèi)部包括氦氣囊101、氫氣囊103(也稱為浮升調(diào)節(jié)氣囊)和空氣囊102，氫氣囊103中帶有頭罩104，頭罩104內(nèi)帶有壓力傳感器，壓力傳感器用于判斷氫氣囊103中的氫氣是否用盡，頭罩104用于氫氣囊103的囊體賭塞氫氣管道；

平流層飛艇中的吊艙中帶有浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)和儲氫壓艙物；

所述的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括、氫氣處理系統(tǒng)105、燃料儲箱106、空氣存儲器107、燃料電池108、能源管理系統(tǒng)109、鋰電池110、水電解器111、氫氣凈化器112、水存儲器113；

氫氣處理系統(tǒng)105包括氫氣壓縮機和增壓鼓風(fēng)機；

燃料儲箱106用于儲存高壓氫氣；

能源管理系統(tǒng)109用于將燃料電池108產(chǎn)生的電能輸送給鋰電池110，并將鋰電池110的電能應(yīng)用到水電解器111中；

氫氣凈化器112用于將水電解器111產(chǎn)生的氫氣進行干燥、凈化；

水存儲器113用于存儲燃料電池108產(chǎn)生的水，并根據(jù)需要將水輸送給水電解器111；

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)又分為氫氣液化系統(tǒng)和水電解系統(tǒng)，氫氣液化系統(tǒng)構(gòu)造如下所示，氫氣處理系統(tǒng)105通過管道與頭罩104連接，氫氣處理系統(tǒng)105通過管道與燃料儲箱106連接，燃料儲箱106通過管道與燃料電池108相連，空氣存儲器107通過管道與燃料電池108相連，燃料電池108通過管道與水存儲器113相連，燃料電池108通過電纜與能源管理系統(tǒng)109相連；水電解系統(tǒng)構(gòu)造如下所示，鋰電池110通過電纜與能源管理系統(tǒng)109連接，能源管理系統(tǒng)109通過電纜與水電解器111相連，水存儲器113通過管道與水電解器111相連，水電解器111通過管道與氫氣凈化器112相連，氫氣凈化器112通過管道與氫氣處理系統(tǒng)105相連。

儲氫壓艙物包括氫氣產(chǎn)生裝置114、分離解鎖裝置115和氣體閥門116。

如圖3所示，氫氣產(chǎn)生裝置114為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為四個空腔，其中上面三個空腔，下面一個空腔，上面三個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液、水溶液，下面一個空腔裝著NaBH4粉末。隔離板上帶有液體閥門，當(dāng)液體閥門打開時四個空腔中的化學(xué)物質(zhì)能夠進行充分混合并產(chǎn)生氫氣。

氫氣產(chǎn)生裝置114為一容器，容器中間通過隔離板將容器分為三個空腔，其中上面兩個空腔，下面一個空腔，上面兩個空腔分別裝著催化劑、強酸溶液，下面一個空腔裝著NaBH₄水溶液。隔離板上帶有液體閥門，當(dāng)液體閥門打開時三個空腔中的化學(xué)物質(zhì)能夠進行充分混合并產(chǎn)生氫氣。

氫氣產(chǎn)生裝置114通過分離解鎖裝置115固定連接在吊艙外面，打開分離解鎖裝置115時氫氣產(chǎn)生裝置114可從吊艙上拋出；分離解鎖裝置115可以為爆炸螺栓等火工品或為可控解鎖掛鉤；

氫氣產(chǎn)生裝置114與氫氣處理系統(tǒng)105之間通過管路連接，管路上有氣體閥門116，與氫氣產(chǎn)生裝置114連接的管路之間的作用力小于氫氣產(chǎn)生裝置114的重力，即當(dāng)氫氣產(chǎn)生裝置114從吊艙上脫落時，氫氣產(chǎn)生裝置114與管路就會斷開。

氫氣處理系統(tǒng)105與氫氣囊103中的頭罩104通過管路連接，從氫氣處理系統(tǒng)105中的氫氣通過頭罩104進入到氫氣囊103中；

空氣存儲器107中還包括一個空氣壓縮機，空氣存儲器107與空氣囊102通過管路連接，當(dāng)燃料電池108所需的空氣不足時，空氣存儲器107就會提供空氣給燃料電池108，同時，空氣囊102中的空氣也會進入到空氣存儲器107中，并通過空氣存儲器107中的空氣壓縮機進行壓縮；

水電解器111產(chǎn)生的氫氣通過管道與空氣囊102連接，將氫氣輸送到空氣囊102中，使空氣囊102中的空氣成為富氧空氣。

工作過程：

地面轉(zhuǎn)運段(0km)：氫氣囊103中存在微量氫氣，飛艇處于微凈重力狀態(tài)，適合地面轉(zhuǎn)運。

準備放飛段(0km)：平流層飛艇通過外部氫氣輸入系統(tǒng)、儲氫壓艙物和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)向氫氣囊103中充入氫氣，增大氫氣囊103體積，排出空氣減小空氣囊102體積，拋掉已經(jīng)完全放完氫氣的儲氫壓艙物，使飛艇從凈重力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到凈浮力狀態(tài)。其中外部氫氣輸入系統(tǒng)直接接入氫氣處理系統(tǒng)105向氫氣囊供應(yīng)氫氣。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產(chǎn)生裝置114中的液體閥門被打開，使化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)充分混合，產(chǎn)生氫氣，系統(tǒng)自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統(tǒng)105，進行壓力調(diào)整后通過管路經(jīng)過頭罩104進入氫氣囊103。待儲氫壓艙物中的氫氣放完，分離解鎖裝置115觸發(fā)，氫氣產(chǎn)生裝置114與吊艙分離，由于重力作用，氫氣產(chǎn)生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。此時，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水存儲器113充滿純凈水，水電解器111開始工作產(chǎn)生氫氣，氫氣通過管道經(jīng)過氫氣凈化器112進行干燥凈化后，經(jīng)過氫氣處理系統(tǒng)105調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲毫螅?jīng)由管路輸向氫氣囊103。

上升初段(0km～11km)：0km～11km隨著高度的上升溫度逐漸降低，飛艇在上升過程中存在環(huán)境補能的影響。在上升過程中，為應(yīng)對此階段的“超冷”導(dǎo)致的浮力損失，根據(jù)上升過程中的氣體溫差和上升速度進行反饋控制，一方面，通過空氣囊102的閥門控制空氣排氣流量，另一方面，通過儲氫壓艙物和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)向氫氣囊103中充入氫氣，逐步增大氫氣囊103的體積比例，滿足飛艇的凈浮力和壓力的雙重控制要求。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產(chǎn)生裝置114中的液體閥門被打開，使化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)充分混合，產(chǎn)生氫氣，系統(tǒng)自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統(tǒng)105，進行壓力調(diào)整后通過管路經(jīng)過頭罩104進入氫氣囊103。水電解器111利用水存儲器113中的水開始工作產(chǎn)生氫氣，氫氣通過管道經(jīng)過氫氣凈化器112進行干燥凈化后，經(jīng)過氫氣處理系統(tǒng)105調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲毫?，?jīng)由管路輸向氫氣囊103。

上升末段(11km～19km)：此段高度屬于同溫層，飛艇失去環(huán)境補能影響的同時，艇內(nèi)空氣大量排出飛艇總重減小，在11km間斷點附件，飛艇可拋下儲氫壓艙物使上升速度維持在一定范圍內(nèi)，其他操作與上升初段類似。穿越西風(fēng)急流區(qū)過程中，飛艇需要加速上升。

具體過程為：在11km高度，拋下已經(jīng)放完氫氣的儲氫壓艙物，分離解鎖裝置115觸發(fā)，氫氣產(chǎn)生裝置114與吊艙分離，由于重力作用，氫氣產(chǎn)生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。水電解器111產(chǎn)生氫氣，氫氣通過管道經(jīng)過氫氣凈化器112進行干燥凈化后，經(jīng)過氫氣處理系統(tǒng)105調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲毫?，?jīng)由管路輸向氫氣囊103。

機動段(19km～20km)：飛艇上升到約19km高度時，逐步降低氫氣囊103的體積比例，減弱凈浮力，飛艇逐步減速，避免形成高度過沖導(dǎo)致囊體壓力過大，威脅飛艇安全。

具體過程為：氫氣處理系統(tǒng)105吸入氫氣囊103中的氫氣，并將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產(chǎn)生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統(tǒng)109，水傳送到水存儲器113中。

高空駐留飛行段(20km范圍)：在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內(nèi)氣體的溫度逐漸升高，為避免艇內(nèi)外壓力差增加，同時保證飛艇保持浮重平衡，浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動氫氣液化過程，逐步減小氫氣囊103體積比例，允許空氣囊102和氦氣囊101逐漸膨脹，以抑制艇內(nèi)部氣體壓力增加，保證蒙皮安全；光照減弱后，飛艇內(nèi)囊氣體溫度逐漸降低，艇內(nèi)外壓力差降低，此時可逐步通過浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電解過程控制氫氣囊103的體積比例增大，保持艇內(nèi)外壓差控制在安全范圍內(nèi)。在夜晚，氫氣囊103處于低功耗或待機狀態(tài)。

具體過程為：在白天，隨著太陽高度角的變大，飛艇囊內(nèi)氣體的溫度逐漸升高，更具內(nèi)外壓差傳感器，控制浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動氫氣液化過程，氫氣處理系統(tǒng)105吸入氫氣囊103中的氫氣，并將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產(chǎn)生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統(tǒng)109，水傳送到水存儲器113中。正午過后，艇內(nèi)氣體溫度開始下降，控制浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動水電解過程，水電解器111利用水存儲器113中的水開始工作產(chǎn)生氫氣，氫氣通過管道經(jīng)過氫氣凈化器112進行干燥凈化后，經(jīng)過氫氣處理系統(tǒng)105調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲毫螅?jīng)由管路輸向氫氣囊103。

下降段(20km～2km)：在正常返回下降工作模式中，飛艇不必在“超熱”最嚴重的正午啟動下降過程，而可以在內(nèi)外溫差較小的夜晚下降，這樣可以使飛艇獲得更大的凈重力。在下降過程中，為應(yīng)對熱力學(xué)壓縮產(chǎn)生的“超熱”導(dǎo)致的浮力增大(凈重力減小)，根據(jù)下降過程中的氣體溫差和下降速度進行反饋控制，一方面，通過空氣囊102閥門和風(fēng)機控制外部空氣的進氣流量，另一方面，通過氫氣囊103中氫氣的液化逐步減小氫氣囊103的體積比例，滿足飛艇的凈重力和壓力的雙重控制要求。

具體過程為：控制浮升調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動氫氣液化過程，氫氣處理系統(tǒng)105吸入氫氣囊103中的氫氣，并將高壓氫氣儲存在燃料儲箱106中，將燃料儲箱106中的氫氣和空氣存儲器107富氧高壓空氣輸送到燃料電池108中產(chǎn)生電能和水，電能直接輸送給能源管理系統(tǒng)109，水傳送到水存儲器113中。

下降接近地面段(2km～0km)：接近地面時，儲氫壓艙物和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)向氫氣囊103中充入氫氣，增大氫氣囊103體積，排出空氣減小空氣囊102體積，拋掉已經(jīng)完全放完氫氣的儲氫壓艙物，使飛艇凈重力逐漸減弱，不至于飛艇產(chǎn)生硬著陸。

具體過程為：儲氫壓艙物中的氫氣產(chǎn)生裝置114中的液體閥門被打開，使化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)充分混合，產(chǎn)生氫氣，系統(tǒng)自動打開管路上的氣體閥門116，氫氣通過管路進入氫氣處理系統(tǒng)105，進行壓力調(diào)整后通過管路經(jīng)過頭罩104進入氫氣囊103。待儲氫壓艙物中的氫氣放完，分離解鎖裝置115觸發(fā)，氫氣產(chǎn)生裝置114與吊艙分離，由于重力作用，氫氣產(chǎn)生裝置114與氣體閥門116脫離，儲氫壓艙物拋下飛艇，達到減重的效果。此時，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水存儲器113充滿純凈水，水電解器111開始工作產(chǎn)生氫氣，氫氣通過管道經(jīng)過氫氣凈化器112進行干燥凈化后，經(jīng)過氫氣處理系統(tǒng)105調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲毫?，?jīng)由管路輸向氫氣囊103。