CN103661915A - 一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统 - Google Patents

Abstract

一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统，上蒙皮和下蒙皮焊接成主气囊，主气囊内充填空气，通过上蒙皮和下蒙皮外表面涂覆热控涂层，吸收太阳辐射热和地球表面的红外辐射热，使主气囊内充填空气温度升高产生浮力；空气阀门安装在主气囊顶部，通过接收设备载荷舱的指令开启关闭空气阀门以控制整个系统的高度；设备载荷舱通过系吊绳索连接在主气囊下部，设备载荷舱下部通过偏转控制索连接支撑臂，支撑臂上安装测量控制模块、气动帆面和矢量推进器；气动帆面的受力方向与矢量推进器的作用方向正交；测量控制模块接收设备载荷舱发出的指令，控制矢量推进器的开启关闭以及支撑臂的旋转角度。

Description

一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统

技术领域

本发明涉及一种新型浮空器，特别是涉及一种利用自然热能浮空，高度可调、轨迹可控的浮空器系统，可作为临近空间和行星大气飞行探测的重要手段。

背景技术

临近空间（Near space）一般指距海平面20～100km高度的空域，是当前人类活动很少涉及的空间领域。随着现代科学技术的进步，临近空间独特的资源优势已成为各国关注的热点。平流层浮空器是临近空间资源开发利用的重要手段。它作为临近空间信息平台，通过携带光学、微波等遥感载荷和无线通信载荷，可实现对特定区域的长期实时、全天候全天时的高分辨率对地观测和高速移动通信。与卫星和飞机等信息平台相比，平流层浮空器同时具有高时间分辨率和空间分辨率，功能上类似于极低轨的地球静止轨道卫星，其应用前景广阔，可为空天预警、侦察监视、反恐维稳、防灾减灾、环境监测和高速通信等应用需求提供崭新的技术手段。另外，浮空探测器能够实现在行星大气中飞行，可满足行星地理科学和生物科学探测任务的机动性要求，大大拓展科学探测数据的时间和空间尺度，可在特定区域和高度范围大气中直接原位测量产生生命所必须的气体，近年来受到了广泛关注。

高空气球是目前唯一成熟的平流层浮空器，但常用的零压气球为应对昼夜变化，采用抛沙-放气的方法维持高度，高空飞行时间短（数天）；超压气球因材料和结构设计问题，仅在南极区域实现数十天的飞行；一般热气球在飞行过程中需消耗大量燃料；法国提出的红外热气球（MIR），飞行时间较长（平均飞行时间3周，最长记录69天），但可携带的载荷较小。更为重要的是，高空气球缺乏主动控制手段，只能随风飘飞，无法实现在特定区域的巡航驻留。理想的平流层飞艇可实现在平流层高度定点驻留和巡航机动，但技术难度大、系统复杂，当前还没有成功应用先例。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种充分利用自然条件的简单可靠、价格低廉的新型自然热-帆驱动的轨迹可控的浮空器系统。

本发明的技术解决方案是：一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统，包括上蒙皮、下蒙皮、系吊绳索、设备载荷舱、支撑臂、气动帆面、测量控制模块、矢量推进器、偏转控制索、空气阀门；

上蒙皮和下蒙皮焊接成主气囊，主气囊内充填空气，通过上蒙皮和下蒙皮外表面涂覆热控涂层，吸收太阳辐射热和地球表面的红外辐射热，使主气囊内充填空气温度升高产生浮力；空气阀门安装在主气囊顶部，通过接收设备载荷舱的指令开启关闭空气阀门以控制整个系统的高度；设备载荷舱通过系吊绳索连接在主气囊下部，设备载荷舱下部通过偏转控制索连接支撑臂，支撑臂上安装测量控制模块、气动帆面和矢量推进器；气动帆面的受力方向与矢量推进器的作用方向正交；测量控制模块接收设备载荷舱发出的指令，控制矢量推进器的开启关闭以及支撑臂的旋转角度。

还包括安装在主气囊内部的辅助气囊，辅助气囊与设备载荷舱内的浮升气体气瓶连通，在设备载荷舱的控制下充入气体。

所述的浮升气体气瓶内充氦气或氢气。

本发明的原理是：自然热-帆驱动的轨迹可控浮空器系统，其特征在于：由内部填充空气并可吸收太阳热辐射和地球红外辐射的主气囊，内部填充轻于空气的气体的辅气囊、调节浮力及高度的空气阀门、进行轨迹控制的下挂气动控制面、风速及位置等测量装置、装载能源及电子设备的设备载荷舱等组成。蒙皮上表面涂覆高太阳吸收率、低红外发射率的热控涂层，用于吸收太阳辐射热，同时降低向高空大气辐射散热；蒙皮下表面涂覆高太阳吸收率、高红外发射率的热控涂层，用于吸收太阳辐射热，同时吸收地球表面的红外辐射热；利用太阳热辐射和地球红外辐射组合加热，使内部空气温度显著高于外界大气温度，从而产生足够的浮力，实现在高空大气的飞行；为实现更高飞行高度、更大载重量的目标，可增设轻于空气的气体（如氦气、氢气等）辅气囊，可处于主气囊内部或外部；在主气囊顶部设置空气阀门，根据控制策略要求控制阀门开闭，调节热空气的超热值，从而简单方便地实现浮力和高度控制；设备载荷舱悬挂在主气囊下部，其外部布设太阳能电池阵，利用太阳能发电并通过蓄电池存储多余的电能供夜间使用，内部安装飞行所需的仪器设备和有效载荷；设备载荷舱通过长度可调的绳索下挂气动控制面；气动控制面可采用舵面或矢量推进装置进行飞行轨迹的调整与控制。为节省飞行消耗的能量，以最小能耗的方式实现在特定区域的巡弋驻留，还可充分利用大气平流层附近的零风层特点，采用合适的飞行控制策略，综合利用便捷的高度和水平飞行轨迹的调节能力，可控制浮空器在零风层附近飞行，并通过零风层上下的风向不同进行水平位置调整。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明由于采用太阳热辐射和地球红外辐射等自然热源，不需携带燃料或其它能源，系统简单、易于工程实现；采用大气环境气体作为主要浮力气体，易于获取和更换，不需采用复杂的多层复合材料来达到防泄漏等要求；采用阀门作为浮力和高度调节的控制手段，采用下挂气动控制面，利用相对风速变化进行飞行轨迹的调整，简单可靠，耗能小；可充分利用平流层零风层特点，通过简单易行的飞行控制策略，综合采用阀门和控制面控制，实现在零风层附近的巡弋驻空。

附图说明

图1a为辅助气囊处于收缩状态系统示意图；图1b为辅助气囊处于膨胀状态示意图；

图2为本发明系统设备载荷舱内部结构示意图；

图3为本发明高度调节工作模式轨迹控制策略示意图；

图4为本发明巡弋飞行工作模式轨迹控制策略示意图；

图5为本发明精确定点工作模式轨迹控制策略示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的系统总体组成，它由两种模式组成，第一种模式为正常工作模式，包括上蒙皮1、下蒙皮2、系吊绳索4、设备载荷舱5、支撑臂6、气动帆面7、测量控制模块8、矢量推进器9、偏转控制索10和空气阀门11组成。如图2所示，为本发明的设备载荷舱5系统组成，它由太阳能电池片5-1、连接导线5-2、电子控制设备5-3、蓄电池5-4、有效载荷5-5、绳索收放控制装置5-6、浮升气体气瓶5-7、控制阀门5-8、气路管道5-9组成。第二种模式是浮力补充模式，在第一种模式系统组成基础上引入辅助气囊3。

主气囊由上蒙皮1和下蒙皮2组成，两者采用高频焊接形式连接。主气囊内部充填空气，采用两种不同热控涂层的蒙皮材料，上蒙皮1外表面涂覆高太阳吸收率、低红外发射率的热控涂层（不锈钢、金镀层等），用于吸收太阳辐射热，同时避免向高空大气辐射散热；下蒙皮2外表面涂覆高太阳吸收率、高红外发射率的热控涂层（黑漆或黑膜等），用于吸收太阳辐射热，同时吸收地球表面的红外辐射热；利用太阳热辐射和地球红外辐射组合加热，使内部空气温度显著高于外界大气温度，从而产生足够的浮力，实现在高层大气中的飞行；空气阀门11安装在主气囊顶部，通过控制空气阀门1的开启和关闭，调节主气囊内部空气的压力和重量，从而实现浮空器系统的浮力和高度控制。辅助气囊3（可选）放置在主气囊内部，与浮升气体气瓶5-7连通，内部充填氦气或氢气，以提升浮空器系统的载荷携带能力。

设备载荷舱5通过系吊绳索4与主气囊连接，多组系吊绳索4通过主气囊圆周表面局部增强的系挂点与主气囊连接，从而分散设备载荷舱5重量引起的主气囊蒙皮表面张力，降低主气囊的撕裂风险。太阳能电池片5-1铺设在设备载荷舱5竖直壁板外表面，白天将太阳能转化为电能，满足电子控制设备5-3、有效载荷5-5的能源需求，同时通过连接导线5-2与蓄电池5-4连通，将富裕电能储存至蓄电池5-4，满足夜间上述设备的能源需求；电子控制设备5-3控制系统电子设备的信号指令，并与地面遥测遥控设备连通；浮升气体气瓶5-7通过气体管道5-9与辅助气囊3连接，并通过安装在管道上的控制阀门5-8，根据控制策略要求，向辅助气囊3提供浮升气体，满足应急浮力调节的要求；设备载荷舱5内的绳索收放控制装置5-6与下方气动控制面连接，通过控制气动控制面与设备载荷舱之间的绳索长度，满足气动控制面对浮空器系统不同高度飞行轨迹的操控能力。

气动控制面主要由支撑臂6、气动帆面7、测量控制模块8、矢量推进器9、偏转控制索10组成；气动控制面的气动帆面7和矢量推进器9安装在支撑臂6上，通过气动控制面所在高度的大气风，施加在气动帆面7上，经支撑臂6和偏转控制绳索10将气动力传递至浮空器囊体；矢量推进器9将螺旋桨推进力同样经支撑臂6和偏转控制绳索10传递至浮空器囊体；气动帆面7与矢量推进器9协同推进，满足浮空器系统水平面内的姿态控制要求；测量控制模块8控制矢量推进器的开启和偏转控制绳索10的绳索夹角，实现气动控制面对浮空器系统飞行航迹的有效控制。

自然热-帆驱动的轨迹可控浮空器系统的控制方法通过三种不同的工作模式进行描述，其可以通过固化在电子控制设备5-3内（包括温度、压力、高度等传感器和遥测遥控系统）的程序实现自动切换或在地面控制下进行模式选择。

1）高度调节模式（如图3所示）：若浮空器飞行高度低于设定高度范围，由电子控制设备5-3发出指令，则自动或由地面反馈指令关闭空气阀门11，气球内部气体在外界辐射热的作用下，温度升高，浮力增加，浮空器向上飞行；若浮空器飞行高度高于设定高度范围，由电子控制设备5-3发出指令，则自动或由地面反馈指令开启空气阀门11，在压力差的作用下，主气囊的热空气从顶部的阀门11流出，外界冷空气从主气囊底部的开放空间流入主气囊，则主气囊内部的气体温度降低，浮力减小，浮空器则向下飞行。由于白天存在太阳辐射和地球红外辐射的综合加热作用，而夜间仅存在地球红外辐射加热作用，因此白天主气囊内部的气体温度明显高于夜间时的气体温度，浮空器的白天最高平衡飞行高度也明显高于夜间的最高平衡飞行高度。

2）巡弋飞行模式（如图4所示）：在该模式下，可充分利用平流层零风层特点，通过简单易行的飞行控制策略，综合采用阀门和控制面控制，实现在零风层附近的巡弋驻空。浮空器白天受太阳照射，主气囊内部气体超热较高，浮空器向上穿过零风层到达东风带，通过电子控制设备5-3发出指令，自动或由地面反馈指令控制阀门使稳定在东风带，通过电子控制设备5-3与测量控制模块8之间的指令交互，实现气动帆面7的控制，使浮空器按预定的轨迹和速度向东漂移；进入夜间后，主气囊内部气体的超热降低，浮空器向下穿过零风层到达西风带，通过电子控制设备5-3发出指令，自动或由地面反馈指令控制阀门使稳定在西风带，通过电子控制设备5-3与测量控制模块8之间的指令交互，实现气动帆面7的控制，使浮空器按预定的轨迹和速度向西漂移；通过控制策略的合理设计，浮空器可实现在指定区域的巡弋飞行。

3）精确定点模式（如图5所示）：在该模式下，可充分利用平流层零风层特点，通过调节浮空器驻留高度和吊舱与气动帆面之间的缆绳长度，使浮空器气球主气囊部分处于零风层上部，气动帆面处于零风层下部，使浮空器在反向风综合作用下，水平力相互抵消，可实现最小耗能状态下的精确定点。具体方法如下：当主气囊向上穿过零风层到达东风带后，电子控制设备5-3发出指令，自动或由地面反馈指令控制阀门使其稳定在东风带并尽可能地接近零风层；绳索收放控制装置5-6接收电子控制设备5-3发出的指令，逐步释放缆绳并使气动帆面7穿越零风层到达西风带；按照测量控制模块8的控制指令，调节气动帆迎角和气动帆位置，使主气囊在零风层上部东风带受到的风曳力与气动帆在零风层下部西风带受到的风曳力平衡。则浮空器可在指定地点上空精确驻留。

综上所述，本发明提供一种自然热-帆驱动的轨迹可控浮空器系统，可利用太阳热辐射和地球红外辐射等自然热源，不需携带燃料或其它能源，系统简单、易于工程实现；采用大气环境气体作为主要浮力气体，易于获取和更换，不需采用复杂的多层复合材料来达到防泄漏等要求；采用阀门作为浮力和高度调节的控制手段，采用下挂气动控制面，利用相对风速变化进行飞行轨迹的调整，简单可靠，耗能小等特点，是实现临近空间和行星大气浮空探测的重要手段，具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用型要求。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统，其特征在于：包括上蒙皮（1）、下蒙皮（2）、系吊绳索（4）、设备载荷舱（5）、支撑臂（6）、气动帆面（7）、测量控制模块（8）、矢量推进器（9）、偏转控制索（10）、空气阀门（11）；

上蒙皮（1）和下蒙皮（2）焊接成主气囊，主气囊内充填空气，通过上蒙皮（1）和下蒙皮（2）外表面涂覆热控涂层，吸收太阳辐射热和地球表面的红外辐射热，使主气囊内充填空气温度升高产生浮力；空气阀门（11）安装在主气囊顶部，通过接收设备载荷舱（5）的指令开启关闭空气阀门（11）以控制整个系统的高度；设备载荷舱（5）通过系吊绳索（4）连接在主气囊下部，设备载荷舱（5）下部通过偏转控制索（10）连接支撑臂（6），支撑臂（6）上安装测量控制模块（8）、气动帆面（7）和矢量推进器（9）；气动帆面（7）的受力方向与矢量推进器（9）的作用方向正交；测量控制模块（8）接收设备载荷舱（5）发出的指令，控制矢量推进器（9）的开启关闭以及支撑臂（6）的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统，其特征在于：还包括安装在主气囊内部的辅助气囊（3），辅助气囊（3）与设备载荷舱（5）内的浮升气体气瓶连通，在设备载荷舱（5）的控制下充入气体。

3.根据权利要求2所述的一种自然热和帆驱动的轨迹可控浮空器系统，其特征在于：所述的浮升气体气瓶内充氦气或氢气。

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