A permanent, have a high degree sustaining energy source which is extracted from the surrounding medium, to maintain a high degree of payload device

本発明は、その高度維持用エネルギ源が永久的であり、媒体から抽出される、ペイロードの高度を維持する装置に関する。

米国ＮＡＳＡの文献により、そのペイロードとして観測および遠距離通信システムを支持する「ＨＡＬＥ」（「Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ， Ｌｏｎｇ Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ（高空域長期滞空無人機）」）プラットフォームは公知である。 このプラットフォームは、その高度を維持する推進プロペラエンジンに電力を供給する多数のソーラパネルでその上面を覆われた、非常に細長い長方形の形態の軽量本体部を基本的に有するが、その推進力がソーラパネルからしか得られないので実用寿命が制限される。

特許文献、国際公開第２００７／１０７０１８ Ａ１号パンフレットにより、スタンドアロン型の成層圏プラットフォームは、ペイロードの高度を維持することが公知であるが、その担持面としてパラシュートまたはパラグライダを使用するので、長期間にわたって地球に対して静止した状態を維持するのに十分な空力品質を持たない。

本発明の主題は、その高度維持用エネルギ源が実用上永久的であり、媒体から抽出される、ペイロードの高度を永続的に維持する装置であり、この装置は、あまりコストをかけずに製造および発射することができ、最小限の点検で済み、その一方で、従来の衛星と少なくとも同程度の大きさのペイロードを担持できる。 さらに、本発明のこの装置は、有利にも、地上、例えば再送信タワーに配置される同様の遠隔通信または監視装置の代用となり得る。

本発明による装置は、少なくとも１つの物理的連結体によって互いに連結され、使用時に地上に対して異なる高度にある少なくとも２つの滑空体を含み、これらの滑空体に向かう瞬間風が実用上永続的に異なる特性を有することと、これら２つの滑空体のそれぞれの姿勢を制御するシステムを含むこととを特徴とする。

本発明の１つの特徴によれば、制御システムは、次のパラメータ、すなわち、風速および風向、翼の姿勢、大気圧、温度、地上に対する翼の位置、天気予報の少なくとも１つを測定するセンサまたはその測定に関連する情報源に接続される。

非限定的な例として取り上げ、添付の図面によって示した発明を実施するための形態を読むことで、本発明がより深く理解されるであろう。

本発明による装置の簡略図である。

本発明が、遠隔通信装置からなるペイロードを担持するプラットフォームに関連して下記に説明されるが、本発明はこの単一用途に限定されるのもではなく、ペイロードには、高空で支持することが必要な他の装置、例えば、地上および／または空中観測用の光学機器（カメラ、レーダ、電波顕微鏡など）、あるいはＧＳＭ、ＴＶ、ラジオ、Ｗｉ−Ｆｉなどの用途用または観察機器（農学的変化または緊急事態などの監視、観測）を含む他の用途用の他の任意のタイプの単方向または多方向の無線または光中継局を含めることができることを十分理解されたい。

本発明のプラットフォーム１が、高空に配置された状態で図面に概略的に示されている。 プラットフォームは、基本的に、異なる特性を有する風層中に異なる高度でこのように配置された状態にある、互いに連結された２つの滑空部分を含む。 本発明の１つの基本的な特徴は、下記にさらに詳細に説明するように、プラットフォームのこの２つの部分が、風層の特性が異なる別の高度に位置することである。

図面の例では、このプラットフォームの各部分は、それぞれ滑空体２、３を含み、これらの２つの滑空体は、例えば、Ｋｅｖｌａｒ（商標）ケーブルとされる物理的連結体４によって互いに連結され、このＫｅｖｌａｒケーブルは比較的軽量であるが、その一方で、周囲の状況、および滑空体によりこのケーブルに作用する張力がどのようであっても破断しないだけの十分な強度がある。 この連結体は、例えば、成層圏気象観測気球用に使用されるようなケーブルとすることができる。 これらの滑空体２、３は、例えば、図面に示すような航空機翼の形態で作られるが、他の多くの形態をとることもでき、遵守すべき条件は、滑空体がそれぞれ、周囲状況を考慮して、絶えず浮揚した状態を維持するのに充分な揚力および揚抗比を有することであることを十分に理解されたい。 これらの生産品は、航空学では公知の一般的な空気力学的法則を単純な形で満たさなくてはならない。 さらに、プラットフォームのこれらの２つの部分は必ずしも同一ではなく、ケーブル４の重量と下側部分の重量とを共に支持できるように、上側部分の方が他の部分よりも揚力が大きいことが好ましいことさえある。

ここで説明する本発明のプラットフォームの実施形態は、それぞれが滑空体を備えた２つの部分を含むが、本発明のこのプラットフォームの各部分は、そのような滑空体をより多く含むこともできることに留意されたい。 この場合に、これら２つの部分のそれぞれについて、それを構成する様々な滑空体が隣り合った高度に維持される。

滑空体が大きくなるほど、滑空体を増強する中央梁（または複数の梁）は高剛性になり、重くなるので、ケーブル４のそれぞれの端部の大寸法の滑空体を２つ以上のより小寸法の滑空体と置き換えることで、同様の性能のまま、このケーブルのそれぞれの端部の総重量を軽くすることが可能になる。 さらに、図面の例では単一のケーブルである連結体４は、いくつかのケーブルか、またはその両端部の少なくとも１つでいくつかのストランドに分割される少なくとも１つのケーブルを含むことができる。 後者の場合、索具を増やすことにより、翼の構造部に作用する張力を数箇所に分散させることが可能になり、ひいては、（翼の構造部を重い中央梁で増強することが必要になる）翼上の単一箇所でのケーブルの係止を回避することで、この構造部を軽量化することが可能になるので、ケーブルのストランドに連結された翼をより軽くすることができる。

翼２、３はいずれも、他方に対する一方および地上に対する一方の位置を制御するために、一方の翼が浮揚される瞬間的な風層の方向および速度特性と、他方の翼の同様のデータとに応じて、それぞれの翼をあらゆる方向に向けることを可能にする姿勢制御システムを装備される。 これらの制御システムは、翼の姿勢に影響を及ぼす機械装置または電気機械装置を含む。 これらの装置は、例えば、向き可変の制御面５、６、または、例えば、（フラップまたは制御面を必要とすることなく、ケーブルに対するプラットフォームのすべての姿勢角を修正することを可能にする）差分張力を三脚状の懸垂吊り索（ｔｒｉｐｏｄ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｌｉｎｇ）に作用させる装置などの適切な他の任意の装置である。 姿勢制御システムは、一方または両方の翼に分散させることができる電子通信および閉ループ制御部分と、制御面を制御するために両方の翼に組み込まれた電気機械部分とを含む。 電子部分は、特に、地上管制センタ（または機内管制センタ）との通信および２つの部分２、３間の通信用の回路と、環境に関係する（風速および風向、大気圧、温度、および任意選択的に天気予報で予測されたこれらの変化などの）大きさおよび翼の姿勢に関するセンサと、これらの大きさを使用し、電気機械部分の制御を保証する回路とを含む。 本明細書を読んだときに、この例では、帆船を操縦する原理が航空機要素に適用される、すなわち、ドリフトを利用して風上へ間切り、（例えば）底部翼がこの役目を果たすことを知って、この制御システムをいかに実現するかが当業者に明らかになる。 本発明の翼は、その中の２つが独自のものである３つの機能、すなわち、「従来の」浮揚機能および「新たな」２つの機能を有し、新たな２つの機能は、第２の気流によってドリフトおよび張力を補償するものであるが、これは航空分野では全く独自のものであり、ここでさらに詳細に説明することはしないことに留意されたい。

本発明の装置は、特に（風速および／または風向があまり違わないなど）気象条件が好ましくない区域で、必要に応じて、強力な横張力を作用させることができる、非常に薄くかつ非常に長い剛性翼（「アスペクト比」）によって、そのペイロードの高度を永続的に維持する。

姿勢制御システムは、上記の風特性およびこれらの特性の予想される変化に応じて、および（例えば、このプラットフォームが観測プラットフォームの場合に地球表面の異なる部分を見るために、または気象じょう乱が深刻な領域をプラットフォームに回避させるために、または風層７、８の特性が十分に異なっていない区域を回避するために）プラットフォームを移動させる目的で、地上から送ることができる指令に応じて、制御面の向きを制御する。 プラットフォームに前記の天気予報能力を持たせ、その位置を測定するシステム（ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏなど）を設けた場合に、一つの可能性としてプラットフォームの完全な自律もあり得る。

さらに、天気予報を使用することで、周囲状況の変化、特に、風速の変化が予測される場合に、プラットフォームが確実に地上に対して事実上静止状態にあるようにするために、最も有利な位置、速度、高度に合わせて、プラットフォームを先に事前配置して、プラットフォームの姿勢制御を前もって行うことが可能になる。

さらに、当業者（例えば、グライダ制作のスペシャリスト）ならば求めることができる翼の揚抗比は、通常非常に良好であり、あり得るいくつもの大気条件（例えば、風、高度、および圧力の様々な組み合わせ）で飛行を維持するように最適化され、これは、環境測定および天気予報と共同して、永続的に飛行を続けることを可能にする。 一実施形態によれば、これらの翼は、有利にも揚抗比が約１５〜約２０であり、上側翼は、表面積が約１００〜約２００ｍ ^２であり、２つの翼を連結するケーブルは、長さが約３ｋｍである。

本発明のプラットフォームは、任意の適切な手段によって、例えば、成層圏タイプの気球、曳航機、またはロケットを用いて、すなわち従来の衛星を打ち上げるために設計されたものよりはるかに安価な手段を用いて高空に配置されるが、その理由は、これらの衛星が高い軌道にあるか低い軌道にあるかにかかわらず、このプラットフォームが、従来の衛星の軌道よりもはるかに低い高度に配置されるからである。 具体的には、本発明のプラットフォームは、例えば、下記のように、２０ｋｍ以下程度の高度に配置される。

本発明のプラットフォームは、速度および／または方向に垂直勾配がある高所の風層、特に、約１０〜約２０ｋｍの高度にある風層の特性の差異を利用する。 図面の例では、風層には、非限定的な態様で、一方で翼２が動作する「ジェット気流」と呼ばれる風層７（この層のベース部は約２０ｋｍの高度にあり、この層の厚さは約２ｋｍである）と、風層７より下に位置する「低高度局所風」と呼ばれ、翼３が動作する風層８とが含まれる。 これら２つの層７、８を分離する、特性が不安定な中間区域９は、厚さが約１ｋｍである。 層７、８の風速は大きく異なっており、層７では２００ｋｍ／時程度であり、層８では６０ｋｍ／時程度である。 層７、８の方向も異なっているが、特に層７に関して、短期間では通常比較的一定である。 これに代わる配置としては、上部翼２がジェット気流の上の成層圏に置かれ、底部翼３がジェット気流に置かれる。 ほかには、ジェット気流とは無関係に単に傾度風を利用することもあり得るが、ジェット気流はむらがあるので、制御の自動化があまり簡単ではなく、ジェット気流および成層圏以外の風の長期にわたる不変性についてはあまり信頼を置くことができない。

当然、本発明のプラットフォームの位置は、航空交通路の外にあるように選択されなければならない。 約２０ｋｍのそのような高度で、このプラットフォームから「見える」地球の表面積（直径が約５００〜約１０００ｋｍの円）は、従来の衛星から見えるよりも小さいが、その総原価（製造および打ち上げのみ）が従来の衛星よりもはるかに安いので、同じ表面積を観測するのに、衛星よりも著しく安い原価と引き替えに多数のプラットフォームを配置するか、あるいは当初は非常な低価格で、より小さい区域を単に受け持つことが可能であり、後者はまた、財政的な観点からはるかに容易な漸進的配置を可能にする。 このようなわけで、本発明のプラットフォームの原価は比較的安いので、遠距離通信中継局として、または特定の短期間のイベント（会議、スポーツ、または他のイベント）用の観察プラットフォームとして働くようにプラットフォームを使用することもでき、次いで、他のイベントのために他の位置に移動させることができる。

そのペイロードを搭載した本発明のプラットフォームを実質的に一定の高度に維持するエネルギ源は、単に風層７、８の特性が異なっていることで得られる。 これらの異なる特性とは、風速および／または風速のそれぞれの方向である。

部分２、３の姿勢は互いに対しておよび風向に対して調整されて、部分２、３は、浮揚状態を維持しながらケーブル４にかかるそれらのそれぞれの張力のバランスをとる。 当然、これら２つの部分は、地上に対して必ずしも静止していなくて「周囲を移動する」ことができる、すなわち、２つの部分は、そこからあまり遠くまで移動することなく、（地上に対して）固定された中心位置の周辺で（例えば、空間に数字の８を形成することで、または周期的な態様で移動して概略的に閉じた曲線を形成することで）動作する。 プラットフォームを別の固定された中心位置に移動させるために、所望する移動に応じて翼２、３のいずれかの水平張力を用いるように、適切な指令をプラットフォームに送る。

翼のそれぞれの重心に作用する様々な成分が図面に図解されている。 翼２に関して、水平ベクトル１０は、翼２が受ける相対風の力を表す。 垂直ベクトル１１は、翼２に作用する重力を表す。 （必ずしも垂直ではないが）上向きベクトル１２は、翼２が受ける相対風によって翼２に加えられる揚力および抗力の力のベクトルの合力（点線で示したベクトル）を表す。 実際上ケーブル４の方向と区別がつかない、下方を向いたベクトル１３は、このケーブルによって翼２に加えられる張力を表す。

翼３に関して、水平ベクトル１４は、翼３が受ける相対風の力を表す。 垂直ベクトル１５は、翼３に作用する重力を表す。 （必ずしも垂直ではないが）ベクトル１６は、翼３が受ける相対風によって翼３に加えられる揚力および抗力の力のベクトルの合力（点線で示したベクトル）を表す。 重心に作用する力のバランスの具合によっては、この翼３を浮揚させることも可能である。 実際上ケーブル４の方向と区別がつかない、上方を向いたベクトル１７は、ケーブルによって翼３に加えられる張力を表す。

これらの各種ベクトルを合成した結果として、本発明のプラットフォームが浮揚したままで中心固定点からあまり遠くまで移動しないためには、２つの翼２、３によってケーブル４に加えられる力が絶えず互いに平衡状態にあること、すなわち、翼２、３が受ける風の方向に対し、これらの風の速度に応じて、これらの翼を正確な向きに合わせることが必要であり、それで十分である。

有利にも、機内の電気および電子機器（遠距離通信用および制御面の制御用回路、ペイロードの電子光学装置など）用の電源は、例えば、バッテリに付属するソーラ電気パネルによって、あるいは、翼上に置かれた１つまたは複数の電力生成小型プロペラによって供給される。 これらのソーラパネルは、時間的にほとんど５０％にわたって太陽光線を受け、機内機器は、静止衛星以外の先行技術のプラットフォーム（「ＨＡＬＥ」タイプのプラットフォーム）の姿勢を維持するのに必要とされるよりもはるかに少ないエネルギを必要とするだけなので、当該バッテリを軽量かつ安価にすることができる。

結論として、本発明のプラットフォームは、製造して高空に配置するのに簡単かつ安価であり、その一方で、プラットフォームを高空に維持するために、任意のエネルギ（燃料または他の消耗品）や、「従来の」エンジンを用意することなく、かつ従来の衛星で必要とされるような大がかりでコストのかかる打ち上げ機を必要とすることなく、実用的には永遠に（その実用寿命はその部品の寿命による）地球に対して事実上静止することができる。 機内機器の部品は、プラットフォームが低い高度で動作するので、「宇宙」用として認証される必要はなく、（「ＣＯＴＳ」と呼ばれる）一般的な低原価部品とすることができる。 さらに、このプラットフォームが地球観測望遠鏡を含む場合、この地球観測望遠鏡は、本発明のプラットフォームが維持される高度が非常に低いために、同じ機能を満たす従来の衛星のものよりはるかにコンパクトにすることができる。

なお、本発明の装置において、測定、制御、およびペイロードの部材はすべて、抗力を著しく最小化する翼に内蔵され、このため、これら高剛性の（または、いずれの場合もパラシュートクロスよりも可撓性がはるかに低い）翼により揚抗比を最大化することができ、したがって、空力効率がより良好になる。 さらに、この装置は、電力手段を永久的に高空に維持する必要がないので、その電気および電子要素に電力を供給するためのほんのわずかなエネルギしか必要とせず、前記ソーラパネルはこの電力を供給してあまりある。