CN105129086B - 一种组合式平流层飞行器系统方案 - Google Patents

Abstract

本发明一种组合式平流层飞行器系统方案，主要包括：高空气球、太阳能无人机、连接绳索及输电线缆。其中，高空气球部分又包含囊体本体，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，球体安定面，球体顶部爆破装置，定位模块，以及囊体外部的索网结构；太阳能无人机是整个平台的核心，主要由包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统，载荷分系统构成。该方案通过充有氦气的高空气球实现平台在既定高度的稳定驻空，提升载荷能力；通过太阳能无人机的可控机动飞行实现平台的航路飞行和可返场重复使用。该系统外形布局新颖，内部结构简洁，易于工程实现。

Description

一种组合式平流层飞行器系统方案

技术领域

本发明提供一种组合式平流层飞行器系统方案，属于航空航天平台系统技术领域。

背景技术

随着空天技术领域的进一步拓展，针对航空、航天结合部使用的平流层飞行器已成为各国研究的重点。与传统飞机相比，低速平流层飞行器的优点是： (1) 留空时间长，可持续工作。易于长期、不间断地获得情报和数据，及时地对紧急事件迅速做出响应。(2) 覆盖范围广。平流层飞行器的飞行高度比传统飞机大，因此覆盖范围也比传统飞机更宽广。(3) 生存能力强。由于气球或软式飞艇以及一些低速无人机的主要部件采用非金属材料制成，因此雷达反射截面很小，传统的雷达难以跟踪和发现。(4) 制造和运行维护费用低，需要的保障人员少、后勤负担轻。

与卫星相比，由于平流层飞行器运行高度低，一般只是低轨卫星1/10-1/20，容易实现高分辨率对地观测，可有效弥补卫星观测局部盲点。对侦察、观测设备要求低，采用一般的数字相机，就可能获得与高精度卫星质量相当的照片；制造成本低，不需要复杂昂贵的发射设施，对地面设备要求也比较低，大部分部件和有效载荷可回收重复使用，因此效费比高。发射过程较为简单；有效载荷技术难度小，易于更新和维护。

在平流层飞行器的研制过程中，高空气球与高空长航时的太阳能无人机已成为各国研究的热点。但现有研究的问题在于：高空气球无法实现区域可控飞行，即其活动范围受到约束；而太阳能无人机受太阳辐照强度的影响需进行高度调节飞行，这将在很大程度上影响其执行任务的性能。

为此，本发明提出一种高空气球与太阳能无人机相组合的组合式平流层飞行器系统方案，该方案通过充有氦气的高空气球实现平台在既定高度的稳定驻空，提升载荷能力；通过太阳能无人机的可控机动飞行实现平台的航路飞行和可返场重复使用。

发明内容

（1）目的：本发明的目的在于提供一种高空气球与太阳能无人机相组合的组合式平流层飞行器系统方案，该方案可实现高空气球与太阳能无人机之间的优势互补，既能提高飞行器的载荷能力，又能实现整个平台的可控飞行和可返场重复使用。

（2）技术方案：本发明一种组合式平流层飞行器系统方案，主要包括：高空气球、太阳能无人机、连接绳索及输电线缆。其中，高空气球部分又包含囊体本体，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，球体安定面，球体顶部爆破装置，定位模块，以及囊体外部的索网结构；太阳能无人机是整个平台的核心，主要由包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统，载荷分系统构成。

所述囊体本体采用轻质、柔韧、高强度的多层纤维制成，主要用于储存氦气，为整个平台提供有效升力；

所述内部温度、压力采集模块主要用于对高空气球内部的氦气温度和压力进行有实时监测；

所述压力调节阀门主要用于对高空气球的内部压力进行实时控制，进而根据飞行任务的要求来改变系统的浮力（升力）；

所述球体安定面将配合太阳能无人机上的推进系统和机体安定面用于对整个平台的飞行状态进行实时监测和控制；

所述爆破装置除了用于分离太阳能无人机与高空气球之外，还可对高空气球自身进行爆破；

所述定位模块用于高空气球爆破后对其进行区域预测回收；可以是GPS模块，也可以是北斗模块；

所述囊体外部的索网结构主要用于连接太阳能无人机，将高空气球产生的升力提供给太阳能无人机；

所述包含机体安定面的结构分系统主要提供太阳能无人机上所有机载设备的安装接口；

所述能源分系统主要为整个平台提供所需的能源，除此之外，该系统兼具能源管理功能；

所述航电飞控分系统主要用于对整个平台的飞行状态进行实时监测和控制；

所述推进分系统主要用于配合球体安定面和机体安定面实现平台的飞行姿态调节和航路飞行；

所述载荷分系统主要用于实现既定的飞行任务，如照相、通信。

整个平台的工作流程如下：

地面状态下将高空气球和太阳能无人机分别组装和调试完毕，将高空气球按既定的设计要求进行充气，在充气完成后通过连接绳索与太阳能无人机相连；

初始状态下，太阳能无人机机头朝上，由高空气球快速提升至既定的飞行高度；

在达到既定高度后，通过连接绳索和高空气球上的索网结构进行长度调节，将太阳能无人机拉平；

整个平台在飞行过程中，高空气球部分的所有数据和电能将通过输电线缆进行实时传输；

整个平台在飞行过程中的飞行姿态调节将通过球体安定面、推进系统、机体安定面相互协调完成；

平台降落时，高空气球与太阳能无人机间的连接绳将通过爆破装置进行爆破，实现两个部分的有效分离；

太阳能无人机通过自身的航电飞控系统实现定点返场；

高空气球利用顶部的爆破装置进行爆破，再利用球体内部的GPS定位系统进行区域预测回收。

（3）该方案的优点：1）该系统外形布局新颖，内部结构简洁，易于工程实现；2）两者的结合大大增强了平流层飞行器执行飞行任务的能力。高空气球与太阳能无人机相组合的组合式平流层飞行器系统方案克服了各自单一形式的缺点，兼具了两者的优势。即通过充有氦气的高空气球实现平台在既定高度的稳定驻空，提升载荷能力，通过太阳能无人机的可控机动飞行实现平台的航路飞行；3）节约系统能源。初始状态下，太阳能无人机机头朝上，由高空气球快速提升至既定的飞行高度，这样可以减小升空阻力，进而节约能源。4）该系统可实现重复利用。平台降落时，高空气球与太阳能无人机间的连接绳将通过爆破装置进行爆破，实现两个部分的有效分离。太阳能无人机通过自身的航电飞控系统实现定点返场，高空气球利用顶部的爆破装置进行爆破，再利用球体内部的定位模块进行区域预测回收。

附图说明：

图1为本发明一种组合式平流层飞行器系统方案平飞时整体结构图；

图2为本发明一种组合式平流层飞行器系统方案平飞时局部结构图；

图3为本发明一种组合式平流层飞行器系统方案升空时整体结构图；

图4为本发明一种组合式平流层飞行器系统方案升空时局部结构图；

图中标号说明如下：

1. 高空气球， 2. 索网结构，

3. 太阳能无人机， 4. 机体安定面，

5. 球体安定面。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明一种组合式平流层飞行器系统方案作进一步的说明：

本发明一种组合式平流层飞行器系统方案，如图1 所示，主要包括高空气球1、索网结构2、太阳能无人机3、机体安定面4、球体安定面5。

如图3、图4所示，本发明的实施例1是：初始状态下，即升空时，连接太阳能无人机3尾部的绳索下放，使飞机机头朝上，并由高空气球1快速提升至既定的飞行高度。太阳能无人机机头朝上有利于减少整个系统的升空阻力，进而可实现飞行器快速升空的要求；

如图1、图2所示，本发明的实施例2是：在平台达到既定高度后，通过对连接绳索和高空气球上的索网结构进行长度调节，太阳能无人机将由原来的机头朝上变成平飞状态。并且此时球体安定面、推进系统、机体安定面将相互协调。整个平台在飞行过程中的飞行姿态调节将通过三者的相互协调完成。

如图1、图2所示，本发明的实施例3是：平台降落时，高空气球与太阳能无人机间的连接绳将通过爆破装置进行一次爆破，实现两个部分的有效分离。分离之后的太阳能无人机通过自身的航电飞控系统实现定点返场。而分离之后的高空气球将通过其顶部的爆破装置进行二次爆破，地面人员可根据安装在气球内的定位模块对其进行区域预测回收。通过以上操作，可实现整个飞行平台的重复利用。

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (2)

1.一种组合式平流层飞行器系统，其特征在于包括：高空气球、太阳能无人机、连接绳索及输电线缆；其中，高空气球又包括囊体本体，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，球体安定面，球体顶部爆破装置，定位模块，以及囊体外部的索网结构；太阳能无人机是所述组合式平流层飞行器系统的核心，又包括包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统和载荷分系统；

所述囊体本体采用轻质、柔韧、高强度的多层纤维制成，主要用于储存氦气，为所述组合式平流层飞行器系统提供有效升力；

所述内部温度、压力采集模块主要用于对高空气球内部的氦气温度和压力进行实时监测；

所述压力调节阀门主要用于对高空气球的内部压力进行实时控制，进而根据飞行任务的要求来改变所述组合式平流层飞行器系统的浮力；

所述球体安定面将配合太阳能无人机上的推进分系统和机体安定面用于对所述组合式平流层飞行器系统的飞行状态进行实时监测和控制；

所述爆破装置除了用于分离太阳能无人机与高空气球之外，还可对高空气球自身进行爆破；

所述定位模块用于高空气球爆破后对其进行区域预测回收；

所述囊体外部的索网结构主要用于连接太阳能无人机，将高空气球产生的升力提供给太阳能无人机；

所述包含机体安定面的结构分系统主要提供太阳能无人机上所有机载设备的安装接口；

所述能源分系统主要为所述组合式平流层飞行器系统提供所需的能源，除此之外，该系统兼具能源管理功能；

所述航电飞控分系统主要用于对所述组合式平流层飞行器系统的飞行状态进行实时监测和控制；所述推进分系统主要用于配合球体安定面和机体安定面实现所述组合式平流层飞行器系统的飞行姿态调节和航路飞行；

所述载荷分系统主要用于实现既定的飞行任务。

2.根据权利要求1所述的一种组合式平流层飞行器系统，其特征在于：所述组合式平流层飞行器系统的工作流程如下：

地面状态下将高空气球和太阳能无人机分别组装和调试完毕，将高空气球按既定的设计要求进行充气，在充气完成后通过连接绳索与太阳能无人机相连；

初始状态下，太阳能无人机机头朝上，由高空气球快速提升至既定的飞行高度；在达到既定高度后，通过连接绳索和高空气球上的索网结构进行长度调节，将太阳能无人机拉平；

所述组合式平流层飞行器系统在飞行过程中，高空气球部分的所有数据和电能将通过输电线缆进行实时传输，所述组合式平流层飞行器系统在飞行过程中的飞行姿态调节将通过球体安定面、推进分系统、机体安定面相互协调完成；

所述组合式平流层飞行器系统降落时，高空气球与太阳能无人机间的连接绳索将通过爆破装置进行爆破，实现高空气球与太阳能无人机间的有效分离；

太阳能无人机通过自身的航电飞控分系统实现定点返场；

高空气球利用顶部的爆破装置进行爆破，再利用球体内部的定位模块进行区域预测回收。