CN104890851B - 一种临近空间气球系统安全发放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临近空间气球系统安全发放方法。该方法包括展开阶段、充气阶段和放飞阶段。该方法能够使气球在充气阶段迎风面积小，无明显兜风现象，采用一组卷扬机多点约束、控制气球状态，气球固定安全可靠，抗风能力强，使得气球系统的发放全过程可完全在外场进行，不需要避风场所或大面积场地；采用缓降器降低了吊舱离地速度及吊舱与气球之间的相对速度，气球系统离地安全；气球发放过程中，只需要气球与吊舱之间处于绳带拉直状态即可发放，无须等待气球完全离地后再释放，同时发放操作仅需一人便可完成全部绳索切割器的起爆，操作快捷，反应及时可靠；发放过程安全，平稳，完全可适用于载荷100kg以上的大型临近空间气球系统的发放。

Description

一种临近空间气球系统安全发放方法

技术领域

本发明涉及一种临近空间气球系统安全发放方法。

背景技术

临近空间气球系统是一种可长时间工作于临近空间(距海平面19～100km高的空间区域)的飞行器，相对于其他飞行器，它具有飞行高度高、成本低、滞空时间长，准备周期短，易于灵活实施等独特优势，在国民经济建设中，利用临近空间气球系统携带相应的工作载荷，可完成气象环境监测、区域通信、国土普查、城市交通监测、地球探测、城市安保及高空探险旅游等工作；在军用领域内，临近空间气球系统可以作为区域导航定位平台、连续高分辨率对地观测和监视平台、导弹预警和防御平台等。因此，近年来，临近空间气球系统已成为国内外最受关注的高空飞行器平台。

但是由于临近空间气球系统体积大(一般在一万立方米以上)，携带的吊舱重量从数百公斤到数吨，在气球系统的地面发放过程中，系统主要面临着两个重大风险：一是气球外形体积大，受地面风速风向影响较大，气球难以约束、控制，存在气球受损的风险；二是气球浮力大，吊舱重量大，气球离地上升瞬间，吊舱和气球冲击过载大，吊舱和气球均存在较大的受损风险。因此，气球系统的安全发放方法是决定气球飞行试验任务成败的重要关键技术。

针对大型高空气球的安全发放，如专利CN1562702A所述，目前国内外主要有静态发放、软式发放、动态发放及该专利所述的机动式卷扬机发放等方法，这些发放方法在一定程度上能够满足高空气球的发放，但是也都存在着诸多不足。其中，专利CN1562702A所公开的机动式转扬机发放方法一定条件下解决了吊舱与气球不同步上升所产生的冲击载荷，避免了气球和吊舱受损，具有成本低的优点。然而，在气球实际发放过程中，采用这种发放方法存在以下不足：

(一)由于该发放方法中采用一个释放器及一台机动卷扬机以实现气球的单点约束，在气球离地上升过程中，释放器以下部分的气球易出现兜风现象，导致气球难以控制，吊舱在球体随风摆动的情况下易发生倾覆、损毁情况；

(二)采用该发放方法，气球离地上升过程中，释放器与其环绕的气球部分之间不可避免存在较大的摩擦和挤压，容易导致气球受损，一旦风速增大，气球受损情况将更趋严重；

(三)该发放方法中，气球与释放器的分离是采用在地面拉动绳索的方式控制释放器的脱开，由于气球升空前高度较高，在空中处于不稳定状态，绳索为柔性结构，拉力很难及时、准确传递到释放器控制机构上，致使释放器与气球的分离过程难以做到安全、可靠；

(四)采用该发放方法，气球离地升空过程中，需要准确控制气球状态(上升速度、气球方向等)，因而要求具备较长时间的平稳气象条件、较宽阔平坦的地面以及数名熟练操作人员的准确协同，才可能避免出现气球或吊舱受损事故；另外，受到安装有卷扬机的机动车质量小的因素限制，该方法仅适用于无风或微风条件下总浮力不超过1吨的气球系统的发放。

发明内容

本发明旨在根据临近空间气球系统发放过程中的需求，针对现有气球系统发放方法存在的问题，提供一种发放过程安全可靠、发放简便的临近空间气球系统发放方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述临近空间气球系统安全发放方法中的气球系统包括气球、吊舱以及用于连接气球与吊舱的绳带，其中绳带固定于气球外表面，吊舱顶部设置有缓降器；该方法包括如下步骤：

(1)在气球发放区边缘均匀部署4—6个卷扬机，并将吊舱置于发放区中心；

(2)将气球从包装箱中取出并展开铺设于发放区的上风向附近，整理设置于气球表面的绳带并将绳带均匀分成4—6组；

(3)分别将每组绳带集束处理后的集束端与吊舱顶部的缓降器连接；

(4)将从卷扬机上释放出的系留索与气球绳带集束处连接，连接前在每根系留索上端串装绳索切割器并将绳索切割器的电缆沿系留索伸展至气球发放区的电源设置区；

(5)通过充气管向气球内充入浮升气体，充气过程中操作卷扬机释放系留索使气球上升，使得充气后气球形状均匀且避免未充气部分的气球兜风；

(6)充气完成后扎紧充气管，继续操作卷扬机释放系留索，使气球充气部分移动至吊舱正上方，并使气球与吊舱之间的绳带处于拉直状态；

(7)接到放飞指令后，将与绳索切割器相连的电缆并联后同时接通电源，绳索切割器瞬间起爆并切断全部系留索，使气球在浮力作用下升空。

优选地，所述卷扬机固定于地面或车辆平台上。

优选地，所述吊舱顶部设置有4个缓降器。

优选地，所述吊舱顶部设置有1个缓降器，每组绳带集束处理后的集束端与缓降器之间设有降落伞。

下面对本发明作进一步说明：

本发明所述的气球系统主要包括有：气球、吊舱以及用于连接气球与吊舱的绳带，其中绳带固定于气球外表面，吊舱顶部设置有缓降器；本发明所采用的气球系统发放设备为一组(4～6个)带有系留索的卷扬机，其中，系留索的上端(或称出线端)串装有绳索切割器。

所述绳带为多根高强织物承力带，其上段均匀分布并固定于气球外表面，下段分组、集束后与吊舱顶部的缓降器连接；

所述的缓降器为本发明所采用的关键器件，该装置为高楼逃生常所采用的一种绳索匀速释放机构(释放速率根据需求可在0.5m/s～5.0m/s范围内可调)，并且该装置包含有一定长度(10m～100m)的绳索。

所述的绳索切割器为航空领域内常用电爆式绳索切割装置，可通过地面电源及电缆实现绳索切割器的起爆及绳索切割动作。

根据飞行任务要求，为安全回收吊舱，本发明的气球系统中可以采用一套降落伞，该降落伞设置于绳带集束端与吊舱顶部的缓降器之间。

本发明的工作原理是：气球系统发放过程中，依靠一组卷扬机实现对气球状态的约束及控制，完成气球的充气；采用绳索切割器，实现气球系统的安全、快速释放；当气球加速离地上升时，利用缓降器的缓冲作用，吊舱随气球以较低的速度离开地面，有效降低气球及吊舱所受到冲击载荷，使得气球系统得以安全升空。

本发明提供的一种临近空间气球系统发放方法主要包括三个阶段，即展开阶段、充气阶段和放飞阶段，各阶段开展的工作及步骤如下：

一、展开阶段

(1)在气球发放区边缘均匀部署一组(4—6个)卷扬机，并将吊舱置于发放区中心；

(2)将气球从包装箱中取出，展开铺设于发放区的上风向附近，整理设置于气球表面的绳带并将绳带均匀分成4—6组；

(3)分别将每组绳带集束处理后的集束端与吊舱顶部的缓降器连接；

(4)从卷扬机上释放部分系留索，与气球绳带集束处连接，连接前在每根系留索上端串装一个绳索切割器，并将绳索切割器的电缆沿系留索伸展至试验场发放区电源设置区。

二、充气阶段

(5)通过充气管向气球内充入浮升气体，充气过程中适时操作卷扬机释放部分系留索，使气球上升，使得充气后气球形状均匀，并避免未充气部分的气球兜风；

(6)充气完成后扎紧充气管，操作卷扬机释放系留索，气球充气部分移动至吊舱正上方，并使气球与吊舱之间的绳带及绳索处于拉直状态。

三、发放阶段

(7)完成上述工作后，接到放飞指令，将与绳索切割器相连的电缆并联后同时接通电源，绳索切割器瞬间起爆并切断全部系留索，气球系统在浮力作用下升空。

根据放飞试验场地质、气球体积大小等情况，所述的卷扬机可固定于地面或车辆平台上；为提高发放的可靠性，每根系留索上可串装两个绳索切割器；根据气球系统的总体设计情况(气球系统重量、气球系统高度、气球系统净浮力及吊舱限制过载等参数)，选择或调节缓冲器的绳索长度及绳索释放速率。

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

(1)气球在充气阶段迎风面积小，无明显兜风现象，同时，采用一组卷扬机多点约束、控制气球状态，气球固定安全可靠，抗风能力强，使得气球系统的发放全过程可完全在外场进行，不需要避风场所或大面积场地；

(2)采用缓降器降低了吊舱离地速度及吊舱与气球之间的相对速度，气球系统离地安全；

(3)气球发放过程中，只需要气球与吊舱之间处于绳带拉直状态即可发放，无须等待气球完全离地后再释放，同时发放操作仅需一人便可完成全部绳索切割器的起爆，操作快捷，反应及时可靠；

(4)本发明发放过程安全，平稳，完全可适用于载荷100kg以上的大型临近空间气球系统的发放。

附图说明

图1为本发明的一种临近空间气球系统快速发放方法发放前地面展开示意图；

图2为临近空间气球系统发放前示意图；

图3为临近空间气球系统发放后升空示意图；

图4为临近空间气球系统工作状态示意图；

图5为本发明的一种临近空间气球系统快速发放方法另一种实施方式地面展开示意图；

图6为带降落伞的临近空间气球系统发放后升空示意图；

图7为带降落伞的临近空间气球系统工作状态示意图。

图中：1—气球，2—绳带，3—充气管，4—系留索，5—绳索切割器，6—电缆，7—电源，8—卷扬机，9—缓降器，10—吊舱，11—吊舱移动平台，12—包装箱，13—降落伞。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图3，临近空间气球系统主要由气球1、吊舱10以及用于连接气球1与吊舱10的绳带2组成，吊舱10顶部设置有四个缓降器9；发放设备主要由卷扬机8、安装在卷扬机8上的系留索4、安装在系留索4上的绳索切割器5、以及为绳索切割器5供电的电缆6构成。

该临近空间气球系统气球1容积约两万立方米，吊舱10重量400kg，地面充完规定体积的氦气后，净浮力约150kg，缓降器9内绳索长度35m。该气球系统的发放方法及步骤如下：

(1)将吊舱10设置于试验场发放区四个卷扬机8的中心位置上，将四个缓降器9固定于吊舱10顶部；

(2)将气球1从包装箱12中部分取出，将其展开并铺设于发放区域的上风向，并将绳带2均匀分成四组，分别对其集束处理；

(3)分别从缓降器9内释放出部分绳索并与绳带2的集束处连接；

(4)从卷扬机8上释放部分系留索4，延伸至气球绳带2集束处，二者连接前在每根系留索4上端串装一个绳索切割器5，并将绳索切割器5的电缆6沿系留索4延展至试验场发放区的电源7附近，暂不接通。

(5)通过充气管3向气球1内充入约4000m³的浮升气体，充气过程中适时操作卷扬机8释放部分系留索4，使气球上升10～15m高；

(6)充气完成后扎紧充气管3，操作卷扬机8释放系留索4，气球1的充气部分移动至吊舱10正上方，并使气球1与吊舱10之间的绳带2及缓降器9上的绳索处于拉直状态。

(7)如图4所示，接到放飞指令后，将电缆6并联后同时接通电源7，绳索切割器5瞬间起爆并切断全部系留索4，气球1携带吊舱10离地升空，完成气球系统的发放操作。

在上述发放过程中，系留索4全部切断后，气球1加速离地升空，缓降器9内的绳索以1.0m/s的速度自动释放延长，吊舱10以相对较低的速度平稳离地，同时，包装箱12内的剩余的气球在浮力作用下逐渐被拉出；

在气球系统的地面展开过程中，为便于快速安全移动吊舱10的位置，在气球系统发放过程中，吊舱10可设置于吊舱移动平台11上。

采用本方法完成发放的临近空气气球系统达到预定飞行高度后，其状态如图4所示。

实施例2

参见图5至图6，为安全回收吊舱，本实施例中的临近空间气球系统主要由气球1、吊舱10以及用于连接气球1与吊舱10的绳带2组成，与实施例一中的气球系统组成不同之处在于：吊舱10顶部中心位置安装一个缓降器9，并且在绳带2下方的集束端与吊缓降器9之间还设置有一套降落伞13。

所述的缓降器9由于不需要考虑气球1升空后的膨胀影响，其内部的绳索长度设置在3m—10m内。

该气球系统的发放过程与实施例一中的气球系统发放过程基本相同，不同在于：在展开阶段需要在气球系统绳带2下方的集束端与吊缓降器9之间安装降落伞13；气球1充气完成后，操作卷扬机8释放系留索4，使气球1的充气部分及降落伞13移动至吊舱10的正上方。

采用本方法完成发放的临近空气气球系统达到预定飞行高度后，其状态如图7所示。

Claims (4)

1.一种临近空间气球系统安全发放方法，所述气球系统包括气球、吊舱以及用于连接气球与吊舱的绳带，其中绳带固定于气球外表面，吊舱顶部设置有缓降器；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在气球发放区边缘均匀部署4—6个卷扬机，并将吊舱置于发放区中心；

(2)将气球从包装箱中取出并展开铺设于发放区的上风向附近，整理设置于气球表面的绳带并将绳带均匀分成4—6组；

(3)分别将每组绳带集束处理后的集束端与吊舱顶部的缓降器连接；

(4)将从卷扬机上释放出的系留索与气球绳带集束处连接，连接前在每根系留索上端串装绳索切割器并将绳索切割器的电缆沿系留索伸展至气球发放区的电源设置区；

(5)通过充气管向气球内充入浮升气体，充气过程中操作卷扬机释放系留索使气球上升，使得充气后气球形状均匀且避免未充气部分的气球兜风；

(6)充气完成后扎紧充气管，继续操作卷扬机释放系留索，使气球充气部分移动至吊舱正上方，并使气球与吊舱之间的绳带处于拉直状态；

(7)接到放飞指令后，将与绳索切割器相连的电缆并联后同时接通电源，绳索切割器瞬间起爆并切断全部系留索，使气球在浮力作用下升空。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卷扬机固定于地面或车辆平台上。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吊舱顶部设置有4个缓降器。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吊舱顶部设置有1个缓降器，每组绳带集束处理后的集束端与缓降器之间设有降落伞。