CN103837205A - 一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置 - Google Patents

一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置 Download PDF

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Abstract

一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置，它由A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、大气静压采集装置（4）、A温度传感器（5）、B温度传感器（6）、球载通信系统（10）和地面中控室（9）组成。本发明的优点是：在线监测副气囊体积及丰满度的实现方法，具有计算简便、可移植性高、安全可靠，通过多个型号的实际测试和使用，完全可以满足浮空飞行器飞行任务需要，可广泛推广应用于各类具有副气囊结构的常规浮空飞行器上。

Description

一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置
技术领域
本发明具体涉及一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置。
背景技术
目前，浮空飞行器是一种轻于空气的飞行器，依靠气囊内部的浮升气体所产生的浮力来克服其自身的重量以实现留空，浮空飞行器具有留空时间长、使用经济性好、安全可靠等优点，是目前世界军事大国争相研制、开发的一种高科技术产品，具有十分广泛的军事和民用用途。
由于气囊材料自身的渗漏特性，浮空飞行器在执行飞行任务前需要估算气囊内剩余氦气的体积，以确保其有效飞行高度满足任务需要。常规的测算方法是称重（对于飞艇而言）或测量球体平台净浮力（对于系留气球而言），这两种方法都需要将浮空飞行器解除系留，且需要多名地面维护人员协同进行，费时费力。浮空飞行器在执行任务过程中，尤其是需要长期留空时，飞行人员需要获取副气囊实际体积变化情况及副气囊实际体积量，防止出现由于气囊渗漏引起副气囊初始体积过大，导致回收过程中气囊超压调节功能失效，球体平台无法正常回收。常规的监测方法是计算副气囊超压与气囊超压之间的差值，但此数据仅能近似反映副气囊顶部距气囊底部的实际垂直高度，没有考虑副气囊材料和大气环境随飞行高度的变化所带来的影响，故此数据精度较差不能满足实际使用需求。
发明内容
本发明的目的就是针对目前浮空飞行器上述之不足，而提供一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置。
本发明由A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、大气静压采集装置（4）、A温度传感器（5）、B温度传感器（6）、球载通信系统（10）和地面中控室（9）组成，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）分别安装在浮空飞行器整流罩内的挂架上，浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上分别开有气体采集接口，A差压传感器（1）和B差压传感器（2）的正压接口分别通过管路与浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上的气体采集接口相连，大气静压采集装置（4）安装在浮空器的气囊底部，大气静压采集装置（4）通过管路分别与A差压传感器（1）和B差压传感器（2）负压接口相连，A温度传感器（5）和B温度传感器（6）分别安装在浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）底部，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、A温度传感器（5）和B温度传感器（6）的信号输出端分别通过球载通信系统10与地面中控室（9）的信号输入端信号连接。
监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的计算方法如下：
对任意飞行高度H时副气囊（8）顶部进行受力分析，并根据力学平衡知识易得
      (1)
式中：
h-任意海拔高度H处副气囊顶端距气囊底部垂直高度，m；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE004
－气囊差压传感器测得超压值，Pa；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE006
－副气囊差压传感器测得超压值，Pa；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE008
－副气囊材料重力相对副气囊测压点处产生的压
力，Pa；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE010
－重力加速度，m/s2；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE012
－副气囊内空气密度，kg/m3；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE014
－气囊内的氦气密度，kg/m3；
根据理想气体状态方程可得：
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE016
    (2)
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE018
     (3)
式中：
－任意海拔高度H处大气压力，Pa；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE022
－任意海拔高度H处气囊及副气囊实测温度，K；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE024
－空气气体常数，J/kg
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE026
K，
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE028
=286.72J/kg
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE030
K；
－氦气气体常数，J/kg
Figure 573364DEST_PATH_IMAGE030
K，
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE034
=2078.75 
J/kg
Figure 172972DEST_PATH_IMAGE030
K。
 
则由式(1)、(2)、(3)可得：
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE036
   (4)
则任意海拔高度H处副气囊体积VH副及副气囊丰满度
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE038
可表示为：
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE040
        (5)
 
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE042
    (6)
式中：
Figure 656037DEST_PATH_IMAGE038
－任意海拔高度H处副气囊实时体积占副气囊总体积的比值，无量纲；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE044
－任意海拔高度H处副气囊实时体积，m3；
Figure 2013103783598100002DEST_PATH_IMAGE046
－副气囊总体积，m3；
－副气囊体积关于垂直高度h的求解函数，m3。
 
本发明的优点是：采用副气囊体积及丰满度在线监测，不仅可有效缩短浮空飞行器飞行前状态调整时间，而且可为飞行人员实时、直观的提供副气囊体积变化量及丰满度值，增强系统的人机交互性，确保浮空飞行器上的去、下得来，为浮空飞行器的飞行安全和出勤率提供支持，本发明涉及的在线监测副气囊体积及丰满度的实现方法，具有计算简便、可移植性高、安全可靠、性价比高等特点，通过多个型号的实际测试和使用，完全可以满足浮空飞行器飞行任务需要，可广泛推广应用于各类具有副气囊结构的常规浮空飞行器上。
附图说明
  图1是本发明结构示意图。
图2是本发明工作原理方框图。 
具体实施方式
如图1、2所示，本发明由A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、大气静压采集装置（4）、A温度传感器（5）、B温度传感器（6）、球载通信系统（10）和地面中控室（9）组成，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）分别安装在浮空飞行器整流罩内的挂架上，浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上分别开有气体采集接口，A差压传感器（1）和B差压传感器（2）的正压接口分别通过管路与浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上的气体采集接口相连，大气静压采集装置（4）安装在浮空器的气囊底部，大气静压采集装置（4）通过管路分别与A差压传感器（1）和B差压传感器（2）负压接口相连，A温度传感器（5）和B温度传感器（6）分别安装在浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）底部，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、A温度传感器（5）和B温度传感器（6）的信号输出端分别通过球载通信系统10与地面中控室（9）的信号输入端信号连接。
监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的计算方法如下：
对任意飞行高度H时副气囊（8）顶部进行受力分析，并根据力学平衡知识易得
      (1)
式中：
h-任意海拔高度H处副气囊顶端距气囊底部垂直高度，m；
Figure 551498DEST_PATH_IMAGE004
－气囊差压传感器测得超压值，Pa；
Figure 536771DEST_PATH_IMAGE006
－副气囊差压传感器测得超压值，Pa；
Figure 846530DEST_PATH_IMAGE008
－副气囊材料重力相对副气囊测压点处产生的压
力，Pa；
Figure 120517DEST_PATH_IMAGE010
－重力加速度，m/s2；
－副气囊内空气密度，kg/m3；
－气囊内的氦气密度，kg/m3；
根据理想气体状态方程可得：
Figure 494363DEST_PATH_IMAGE016
    (2)
Figure 895126DEST_PATH_IMAGE018
     (3)
式中：
Figure 486645DEST_PATH_IMAGE020
－任意海拔高度H处大气压力，Pa；
Figure 446510DEST_PATH_IMAGE022
－任意海拔高度H处气囊及副气囊实测温度，K；
Figure 98072DEST_PATH_IMAGE024
－空气气体常数，J/kg
Figure 346650DEST_PATH_IMAGE026
K，
Figure 741860DEST_PATH_IMAGE028
=286.72J/kgK；
Figure 378694DEST_PATH_IMAGE032
－氦气气体常数，J/kg
Figure 239203DEST_PATH_IMAGE030
K，=2078.75 
J/kg
Figure 106982DEST_PATH_IMAGE030
K。
 
则由式(1)、(2)、(3)可得：
Figure 100346DEST_PATH_IMAGE036
   (4)
则任意海拔高度H处副气囊体积VH副及副气囊丰满度
Figure 323517DEST_PATH_IMAGE038
可表示为：
        (5)
 
Figure 849493DEST_PATH_IMAGE042
    (6)
式中：
Figure 13758DEST_PATH_IMAGE038
－任意海拔高度H处副气囊实时体积占副气囊总体积的比值，无量纲；
Figure 599591DEST_PATH_IMAGE044
－任意海拔高度H处副气囊实时体积，m3；
Figure 140294DEST_PATH_IMAGE046
－副气囊总体积，m3；
Figure 518186DEST_PATH_IMAGE048
－副气囊体积关于垂直高度h的求解函数，m3。
 
工作原理：A差压传感器1、B差压传感器2、大气数据采集系统3、A温度传感器5和B温度传感器6的信号输出端分别通过球载通信系统10将信号输出至与地面中控室9，并由地面中控室9控制终端负责处理和显示。

Claims (2)

1.一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置，其特征在于它由A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、大气静压采集装置（4）、A温度传感器（5）、B温度传感器（6）、球载通信系统（10）和地面中控室（9）组成，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）分别安装在浮空飞行器整流罩内的挂架上，浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上分别开有气体采集接口，A差压传感器（1）和B差压传感器（2）的正压接口分别通过管路与浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）上的气体采集接口相连，大气静压采集装置（4）安装在浮空器的气囊底部，大气静压采集装置（4）通过管路分别与A差压传感器（1）和B差压传感器（2）负压接口相连，A温度传感器（5）和B温度传感器（6）分别安装在浮空飞行器的气囊（7）和副气囊（8）底部，A差压传感器（1）、B差压传感器（2）、大气数据采集系统（3）、A温度传感器（5）和B温度传感器（6）的信号输出端分别通过球载通信系统10与地面中控室（9）的信号输入端信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的装置，其特征在于监测浮空飞行器副气囊体积及丰满度的计算方法如下：
对任意飞行高度H时副气囊（8）顶部进行受力分析，并根据力学平衡知识易得                                                
Figure 633625DEST_PATH_IMAGE001
      (1)
式中：
h-任意海拔高度H处副气囊顶端距气囊底部垂直高度，m；
Figure 310594DEST_PATH_IMAGE002
－气囊差压传感器测得超压值，Pa；
－副气囊差压传感器测得超压值，Pa；
Figure 434725DEST_PATH_IMAGE004
－副气囊材料重力相对副气囊测压点处产生的压
力，Pa；
Figure 172873DEST_PATH_IMAGE005
－重力加速度，m/s2；
Figure 286323DEST_PATH_IMAGE006
－副气囊内空气密度，kg/m3；
Figure 211554DEST_PATH_IMAGE007
－气囊内的氦气密度，kg/m3；
根据理想气体状态方程可得：
Figure 435862DEST_PATH_IMAGE008
    (2)
Figure 44829DEST_PATH_IMAGE009
     (3)
式中：
Figure 329179DEST_PATH_IMAGE010
－任意海拔高度H处大气压力，Pa；
Figure 476127DEST_PATH_IMAGE011
－任意海拔高度H处气囊及副气囊实测温度，K；
Figure 504126DEST_PATH_IMAGE012
－空气气体常数，J/kg
Figure 216867DEST_PATH_IMAGE013
K，
Figure 672119DEST_PATH_IMAGE014
=286.72J/kg
Figure 571942DEST_PATH_IMAGE015
K；
Figure 138052DEST_PATH_IMAGE016
－氦气气体常数，J/kg
Figure 705300DEST_PATH_IMAGE015
K，
Figure 331453DEST_PATH_IMAGE017
=2078.75 
J/kg
Figure 452993DEST_PATH_IMAGE015
K，
则由式(1)、(2)、(3)可得：
Figure 822795DEST_PATH_IMAGE018
   (4)
则任意海拔高度H处副气囊体积VH副及副气囊丰满度
Figure 978970DEST_PATH_IMAGE019
可表示为：
Figure 307183DEST_PATH_IMAGE020
        (5)
 
Figure 916019DEST_PATH_IMAGE021
    (6)
式中：
Figure 823932DEST_PATH_IMAGE019
－任意海拔高度H处副气囊实时体积占副气囊总体积的比值，无量纲；
Figure 834613DEST_PATH_IMAGE022
－任意海拔高度H处副气囊实时体积，m3；
－副气囊总体积，m3；
Figure 679127DEST_PATH_IMAGE024
－副气囊体积关于垂直高度h的求解函数，m3。
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