CN105416557B - 一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机技术领域，涉及一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统和方法，系统包括放置于地面的地面站和依次顺序连接的高空气球、万向节、第一爆破解锁装置、降落伞、柔性连接装置、设备吊舱、第二爆破解锁装置和太阳能飞行器。本发明通过高空气球搭载太阳能飞行器可以减小对流层风对太阳能飞行器的影响，从而使其安全可靠地过渡到平流层；整个搭载放飞系统使用的绳索、降落伞、万向节等结构均为简易可靠的物品，使本方面搭载放飞系统具有构造简单、成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，涉及一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统和方法。
背景技术.
临近空间一般是指距地面20-100km高度的空间区域，是跨接航空与航天的新兴战略空间。平流层是临近空间的重要组成部分发展平流层飞行器，对于建设空天一体的安全体系意义重大。高空气球主要用于将探空仪器携带到高空，以便进行温度、压力、湿度和风等气象要素的探测，也可以携带设备完成信号中继、科学实验、军情监测等任务。高空气球是研究平流层的重要工具，特别是对气象学发展和高空飞行器的设计起到了重要作用。
太阳能飞行器是典型的平流层飞行器，利用平流层特殊的环境特征，基于能源、材料、推进、控制等先进技术，实现在持久飞行，在信息获取、信息对抗方面具有独特优势。安全成功进入平流层是太阳能飞行器飞行试验工作的第一步，是实现长期持久飞行关键技术验证的前提。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能飞行器安全进入平流层的系统和方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统和方法。
一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，包括放置于地面的地面站和依次顺序连接的高空气球、万向节、第一爆破解锁装置、降落伞、柔性连接装置、设备吊舱、第二爆破解锁装置和太阳能飞行器；
所述设备吊的组成构件包括外层的壳体和内层的保温层，保温层内部固定温度监控模块、卫星信号处理模块、数传电台、图传发射机、广角相机、主控制器和电源；
所述壳体和保温层在同一方向上有一窗口，便于广角相机穿过窗口后进行外部观测；
电源用于向温度监控模块、卫星信号处理模块、数传电台、图传发射机和主控制器供电；
温度监控模块用于监测设备吊舱的内外温度，并反馈到主控制器；
卫星信号处理模块用于测量设备吊舱在空间中的位置和高度，并反馈到主控制器；
主控制器用于测量设备吊舱的升降速度和加速度以及汇总设备吊舱的温度、位置和高度，将上述数据传达给数传电台；同时控制第一爆破解锁装置和第二爆破解锁装置的爆破；
数传电台用于将接收到的主控制器信息传达给地面站，以及接收地面站的操控指令并将操作指令传达给主控制器，所述操作指令为第一爆破解锁装置和第二爆破解锁装置的爆破指令；
广角相机用于拍摄太阳能飞行器上升过程中的实时影像，并将其传达给图传发射机；
图传发射机用于将广角相机拍摄的太阳能飞行器的实时影像通过无线电传给地面站；
所述地面站用于接收设备吊舱和太阳能飞行器的数据信息、接收和显示太阳能飞行器的实时影像以及操控太阳能飞行器。
优选地，所述柔性连接装置为绳索。
进一步，所述太阳能飞行器为双机身飞行器，太阳能飞行器的两个机身通过四根吊绳水平吊挂在设备吊舱的下面；
其中，四根吊绳的一端固连在设备吊舱下面，另一端分别穿过太阳能飞行器机身上的四个吊环后汇集在一起，然后固连第二爆破解锁装置。
进一步，保温层的制作材料为PVC泡沫，壳体的制作材料为聚乙烯泡沫。
基于上述高空气球搭载与放飞太阳能飞行器系统进行太阳能飞行器搭载与放飞的方法，包括如下步骤：
S1，使用高空气球将太阳能飞行器以及设备吊舱搭载上升到预定高度；
S2，第二爆破解锁装置爆破，将设备吊舱和太阳能飞行器分离；太阳能飞行器分离后，高空气球携带设备吊舱继续上升；
S3，地面站操控太阳能飞行器转入飞行巡航；
S4，第一爆破解锁装置爆破，将高空气球和设备吊舱间分离；
S5，设备吊舱通过降落伞进行回收。
本发明通过高空气球搭载太阳能飞行器可以减小对流层风对太阳能飞行器的影响，从而使其安全可靠地过渡到平流层；整个搭载放飞系统使用的绳索、降落伞、万向节等结构均为简易可靠的物品，使本方面搭载放飞系统具有构造简单、成本低廉的优点。而且高空气球载重量大，可以长时间滞空，同时设备吊舱可以与地面站实时通讯，并且能将太阳能飞行器上升过程中的影像实时传输到地面站以供地面指挥人员参考和决策，在稳定搭载太阳能飞行器上升至邻近空间方面具有独特优势。
附图说明
图1为本发明高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统的结构示意图。
图2为本发明设备吊舱的结构示意图。
图3为本发明设备吊舱的内部设备原理图。
图4为本发明太阳能飞行器搭载与放飞的方法流程图。
具体实施方式
一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，如图1所示，所述系统包括放置于地面的地面站100和依次顺序连接的高空气球1、万向节2、第一爆破解锁装置31、降落伞4、柔性连接装置5、设备吊舱6、第二爆破解锁装置32和太阳能飞行器7，所述柔性连接装置5为绳索；
所述太阳能飞行器7为双机身飞行器，太阳能飞行器7的两个机身通过四根吊绳水平吊挂在设备吊舱6的下面；
其中，四根吊绳的一端固连在设备吊舱6下面，另一端分别穿过太阳能飞行器7机身上的四个吊环后汇集在一起，然后固连第二爆破解锁装置32；
如图2所示，所述设备吊舱6组成构件包括外层的壳体16和内层的保温层15，保温层15内部固定温度监控模块8、卫星信号处理模块9、数传电台10、图传发射机11、广角相机12、主控制器13和电源14；
其中，保温层15的制作材料为PVC(聚氯乙烯)泡沫，可以减小平流层超低温环境对设备吊舱6内仪器设备的影响；壳体16的制作材料为聚乙烯泡沫，其具有减震作用，在设备吊舱6降落回收时能保护内部仪器设备；
所述壳体16和保温层15在同一方向上有一窗口，便于广角相机12穿过窗口后进行外部观测；
如图3所示，电源14用于向温度监控模块8、卫星信号处理模块9、数传电台10、图传发射机11和主控制器13供电；
温度监控模块8用于监测设备吊舱6的内外温度，并反馈到主控制器13；
卫星信号处理模块9用于测量设备吊舱6在空间中的位置和高度，并反馈到主控制器13；
主控制器13用于测量设备吊舱6的升降速度和加速度以及汇总设备吊舱6的温度、位置和高度，将上述数据传达给数传电台10；同时控制第一爆破解锁装置31和第二爆破解锁装置32的爆破；
数传电台10用于将接收到的主控制器13信息传达给地面站，以及接收地面站的操控指令并将操作指令传达给主控制器13，所述操作指令为第一爆破解锁装置31和第二爆破解锁装置32的爆破指令；
广角相机12用于拍摄太阳能飞行器7上升过程中的实时影像，并将其传达给图传发射机11；
图传发射机11用于将广角相机12拍摄的太阳能飞行器7的实时影像通过无线电传给地面站100；
所述地面站100用于接收设备吊舱6和太阳能飞行器7的数据信息、接收和显示太阳能飞行器7的实时影像以及操控太阳能飞行器7。
如图4所示，基于高空气球搭载与放飞太阳能飞行器系统进行太阳能飞行器搭载与放飞的方法，包括如下步骤：
S1，使用高空气球将太阳能飞行器以及设备吊舱搭载上升到预定高度：
(1)，根据太阳能飞行器的实际重量和高空气球的承载能力，通过核算搭载放飞系统总重量来确定充入高空气球中氢气或氦气量；
(2)，依次顺序连接高空气球、万向节、第一爆破解锁装置、降落伞、柔性连接装置、设备吊舱、第二爆破解锁装置和太阳能飞行器；
(3)，将高空气球放飞，高空气球搭载太阳能飞行器以预定的速度上升，直至搭载放飞系统升至预定高度。
S2，第二爆破解锁装置爆破，将设备吊舱和太阳能飞行器分离；太阳能飞行器分离后，高空气球携带设备吊舱继续上升：
(1)，当太阳能飞行器进入平流层到达预定高度后，第二爆破解锁装置可以自动地发出爆破指令，或者接受地面站传来的爆破指令进行爆破来释放太阳能飞行器。
设备吊舱内的卫星信号处理模块附带有高度传感器，可获取当前时刻的高度信息，并通过主控制器来判断是否达到预定解锁高度，同时通过与地面站的实时通信，等待来自地面站的爆破指令。
一般来讲，地面站的爆破指令优先级高于第二爆破解锁装置自身的爆破指令。
(2)，当数传电台接受到地面站传达的爆破指令后传达给第二爆破解锁装置，从而执行太阳能飞行器的解锁释放，使太阳能飞行器与设备吊舱分离，太阳能飞行器进入正常飞行。
S3，地面站操控太阳能飞行器转入飞行巡航：
高空气球携带设备吊舱继续上升，地面站继续实时监控设备吊舱的高度、速度、位置等参数，然后地面站选择在合适的高度和位置发出指令执行第二次分离解锁。
S4，第一爆破解锁装置爆破，将高空气球和设备吊舱间分离；
S5，设备吊舱通过降落伞进行回收。
本实施例由绳索将高空气球、万向节、第一爆破解锁装置、降落伞、设备吊舱、第二爆破解锁装置和太阳能飞行器连接在一起，通过在高空气球内充入浮力气体使气球所受空气浮力大于整个搭载放飞系统重力，从而实现搭载放飞系统搭载太阳能飞行器以一定的速度上升。
本实施例特点是载重大，能长时间滞空，而且可以与地面实时通讯，可用于各类小中大型太阳能飞行器的搭载上升和放飞。
Claims (5)
1.一种高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，其特征在于，所述系统包括放置于地面的地面站(100)和依次顺序连接的高空气球(1)、万向节(2)、第一爆破解锁装置(31)、降落伞(4)、柔性连接装置(5)、设备吊舱(6)、第二爆破解锁装置(32)和太阳能飞行器(7)；
所述设备吊舱(6)的组成构件包括外层的壳体(16)和内层的保温层(15)，保温层(15)内部固定温度监控模块(8)、卫星信号处理模块(9)、数传电台(10)、图传发射机(11)、广角相机(12)、主控制器(13)和电源(14)；
所述壳体(16)和保温层(15)在同一方向上有一窗口，便于广角相机(12)穿过窗口后进行外部观测；
电源(14)用于向温度监控模块(8)、卫星信号处理模块(9)、数传电台(10)、图传发射机(11)和主控制器(13)供电；
温度监控模块(8)用于监测设备吊舱(6)的内外温度，并反馈到主控制器(13)；
卫星信号处理模块(9)用于测量设备吊舱(6)在空间中的位置和高度，并反馈到主控制器(13)；
主控制器(13)用于测量设备吊舱(6)的升降速度和加速度以及汇总设备吊舱(6)的温度、位置和高度，将上述数据传达给数传电台(10)；同时控制第一爆破解锁装置(31)和第二爆破解锁装置(32)的爆破；
数传电台(10)用于将接收到的主控制器(13)信息传达给地面站，以及接收地面站的操作指令并将操作指令传达给主控制器(13)，所述操作指令为第一爆破解锁装置(31)和第二爆破解锁装置(32)的爆破指令；
广角相机(12)用于拍摄太阳能飞行器(7)上升过程中的实时影像，并将其传达给图传发射机(11)；
图传发射机(11)用于将广角相机(12)拍摄的太阳能飞行器(7)的实时影像通过无线电传给地面站(100)；
所述地面站(100)用于接收设备吊舱(6)和太阳能飞行器(7)的数据信息、接收和显示太阳能飞行器(7)的实时影像以及操控太阳能飞行器(7)。
2.根据权利要求1所述高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，其特征在于，所述柔性连接装置(5)为绳索。
3.根据权利要求1或2所述高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，其特征在于，所述太阳能飞行器(7)为双机身飞行器，太阳能飞行器(7)的两个机身通过四根吊绳水平吊挂在设备吊舱(6)的下面；
其中，四根吊绳的一端固连在设备吊舱(6)下面，另一端分别穿过太阳能飞行器(7)机身上的四个吊环后汇集在一起，然后固连第二爆破解锁装置(32)。
4.根据权利要求1或2所述高空气球搭载与放飞太阳能飞行器的系统，其特征在于，保温层(15)的制作材料为PVC泡沫，壳体(16)的制作材料为聚乙烯泡沫。
5.基于权利要求1所述高空气球搭载与放飞太阳能飞行器系统进行太阳能飞行器搭载与放飞的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，使用高空气球将太阳能飞行器以及设备吊舱搭载上升到预定高度；
S2，第二爆破解锁装置爆破，将设备吊舱和太阳能飞行器分离；太阳能飞行器分离后，高空气球携带设备吊舱继续上升；
S3，地面站操控太阳能飞行器转入飞行巡航；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |