CN105836097B - 一种高度与轨迹可控的高空气球 - Google Patents

Abstract

本发明主要创新点在于提出了一种控制高空气球升降的装置和一种高空气球的轨迹控制方法。高空气球的浮力单元(1)由蒙皮、承力带、承力绳索等组成。本发明可通过设置在浮力单元(1)上的浮力单元体积调整装置(2)，改变浮力单元的体积，进而改变高空气球浮力，实现高空气球的上升和下降控制；并依据平流层不同高度的风速和风向差异实现高空气球的轨迹控制。本发明提供了一种无需释放高空气球内部浮升气体即可实现高空气球高度与轨迹控制的方案，使高空气球具备了长时区域驻留的能力。

Description

一种高度与轨迹可控的高空气球

技术领域

本发明涉及通用航空领域，可应用于各类高空浮空器的升降控制与轨迹控制，特点是通过体积调整装置调整高空气球的体积和浮力，并利用高空不同高度的风向和风速实现对高空气球的轨迹控制，整个过程无需释放浮空器内的浮空气体，系统的功耗小、结构简单、质量轻、成本低。

背景技术

高空浮空器是指依靠浮力升空，工作在18km及以上高度的飞行器。由于在距海平面20～100km的临近空间高度有着独特的资源优势，关于临近空间资源的开发和利用也是近年来各国科学家关注的重点，而高空浮空器则是开发临近空间资源的一个核心工具。高空浮空器作为临近空间的信息平台，可弥补通信手段不足和提高空间信息系统快速反应能力。与卫星和飞机等信息平台不同，它具有高的时间和空间分辨率，在功能上能够与极低轨的地球静止卫星相媲美。高空浮空器区别于其它飞行器的飞行特点决定着它在通信领域具有非常广阔的应用前景，浮空器的研究工作一直以来都是各国科学工作者所热衷的。近年来，高空气球作为一种高空运载工具也备受广大科学家的关注。目前谷歌提出的高空气球联网项目，在高空放置带有网络接入设备的气球，为偏远地区的人们提供互联网服务。然而，目前有报道的高空气球仅能利用大气环流实现较大区域范围内的飞行，而不能进行飞行轨迹的主动控制，不能实现在一定区域内的驻留飞行，如美国NASA的长航时气球(LDB)、Google的ProjectLoon。这极大限制了高空气球的使用范围。为了提升高空气球的使用性能，扩展其应用领域，亟需一种有效的高空气球飞行高度与飞行轨迹控制方法。

目前高空气球的高度调整主要用于调节高空气球的平衡高度，方式主要有两种：(1)释放气球内部的浮升气体，(2)抛撒配重。受浮升气体和配重数量的限制，高度调整次数也有限，并不适合高空气球的长时飞行的高度控制。

高空气球的飞行轨迹控制受其气动阻力较大的影响，需要配置较大的动力装置，消耗较多的能量，这在工程实现上非常复杂、成本较高，且会消耗较多的有效载荷重量。

据此，本发明拟提出一种结构简单、成本较低的高空气球的飞行高度与飞行轨迹主动控制方法，从而为高空浮空飞行器应用范围的拓展提供一个技术基础。

发明内容

本发明主要解决了高空气球的高度控制与轨迹控制问题，提出了一种在高空气球的浮力单元上的加装体积调整装置，利用此装置调节高空气球浮力，实现高空气球的高度控制，同时结合不同高度的风场数据，利用不同高度风场风向和风速使高空气球在一定区域范围内飞行，进而实现高空气球的长时区域驻留飞行。

本发明通过控制由气球囊体等组成的浮力单元的体积，调节浮力，控制飞行高度，从而使高空气球根据不同高度下的风速和风向特点进行飞行轨迹控制。这一方法无需为控制高空气球的飞行轨迹设置额外的动力装置，减少了设备空间和设备重量，使高空气球所需提供的升力大大减少，缩减浮力单元的体积，降低加工的复杂程度，减少制造成本。

附图说明

图1为本发明中高空气球的设计模型；

图2为本发明中高空气球浮力单元处于设计状态下的构型示意图；其中： (1)-浮力单元，(2)-浮力单元体积调整装置。浮力单元提供气球所需浮力，浮力单元体积调整装置可通过改变浮力单元的构型调整高空气球在某一高度下的浮力大小，进而调整高空气球的高度；

图3为降低高度时浮力单元构型改变情况的示意图，控制浮力单元的体积调整装置，改变体积后浮力单元的形状；

图4为实现体积调整装置的平行四边形机构示意图；图中(3)为平行四边形机构，(4)为电机。

图5为实现体积调整装置的IPMC驱动器示意图；图中(5)为IPMC致动器， (6)为电极。

图6为高空气球浮力单元体积变化率和飞行高度关系的曲线；

图7为高空气球浮力单元囊体内外压差变化和飞行高度关系的曲线。

具体实施方式

本发明提供了两种适用于高空气球的区域轨迹控制方式。通过浮力单元体积调

装置来控制浮空器的上下移动，再利用不同高度风速和风向的规律性，来控制浮空器的飞行轨迹。给高空气球增加一个浮力单元体积调整装置就是本发明的重点，利用这个装置可以实现对高空气球的飞行轨迹的控制，从而使高空气球依靠无需使用复杂的动力装置就能在一定区域内实现驻留飞行。

浮力单元体积调整装置通过一个嵌入或附着在浮力单元囊体上的一个周长可收缩的装置实现，如图1所示。该周长可收缩的装置可选取压电材料、磁致伸缩材料、电活性聚合物(ElectroactivePolymers/EAP)等可控收缩材料制作，也可采用平行四边形机构、人工肌肉、变胞机构、柔性机构等实现周长可控的机构实现。

体积调整装置安装在浮力单元的周向，通过浮空器的控制系统对装置直径的大小进行精确调整，而装置周长的收缩会使整个浮力单元体积变小(图2-> 图3)，从而使其浮力减小，在高空气球不释放浮升气体、不抛撒配重的情况下，高空气球的飞行高度将下降，而随着飞行高度的下降，高空气球外部的空气密度逐渐增大，浮力也逐渐增大，直至下降到某一高度，浮力和重力重新建立平衡。

图4给出了一个体积调整装置的具体实现方式，该装置由平行四边形机构组成，采用在囊体周围相同间隔处装上小环扣的方式固定在囊体的周边，使体积调整装置只能沿着囊体的周向运动，将平行四边形机构固定在囊体的周向上，在平行四边形机构的杆件上装上电机，将平行四边形机构的一根杆件看成是一个曲柄，通过电机带动曲柄转动，从而能控制平行四边形的形状，改变机构的长度。在囊体上装上压力传感器和高度传感器，传感器产生的电信号输入控制器，控制器通过比较设置的高度、压力与当前高度和压力，对电机进行控制，从而实现高空气球的高度的伺服控制。

图5给出了一种利用IPMC人工肌肉驱动器进行高空气球体积调整的具体实现方式。IPMC是一种人工肌肉材料，当给IPMC薄膜施加直流电压时，薄膜会向阳极弯曲，弯曲程度随着电压的增加而上升，直至饱和状态，如图5 所示。当施加交流电压时，薄膜产生摆动弯曲，其弯曲位移取决于电压大小和频率。通常，平率小于0.1赫兹能产生较大的位移，但频率上升的几十赫兹时，将不再产生位移。不同的频率，弯曲位移达到饱和时的驱动电压不同，频率较高时，驱动电压值较小。当IPMC薄膜产生弯曲变形时，IPMC也会在厚度方向产生一定电压。利用IPMC的位移改变原理，我们将中部囊体材料的承力织物中添加进这种人工肌肉材料，通过对囊体进行通电，达到收缩囊体的效果，从而引起囊体整个体积的下降，实现高空气球的高度控制。

图6和图7是高空气球在设计高度20km处浮力与重力平衡时，通过浮力单元体积调整装置使其飞行高度下降0～5km过程中，浮力单元的体积变化率与飞行高度、浮力单元囊体内外压差与飞行高度之间的关系曲线。由图7可见，飞行高度下降的情况下，压差会有所上升，由于这种飞行器无需配置动力装置，其载荷小，浮力单元直径小，其压差仍处于目前浮力单元囊体材料能够承受的压差安全范围内，能够满足高空气球的长时区域驻空飞行要求。以下将结合实例对本发明的实现予以解释说明，该实例仅用于解释说明本发明而非对本发明应用范围作限定：

步骤1：为确定被动轨迹区域控制方案的合理性，首先要分析风向状况。北纬地区常年以东西风(纬向环流风)为主，20以上有稳定的东风，20km以下是稳定的西风。

步骤2：上述东西风在大陆地区具有一定的普遍性。高空气球如能在飞行高度在20km附近的平流层高空气球能在5km范围内进行高度调整，则可根据当前飞行位置及区域控制需求，利用20km上下的东西风，并适时考虑经向风速的影响，实现在拟定飞行区域内的长时区域飞行。

步骤3：高空气球升空至设计高度后，高空气球经地面测风雷达获知设计高度至设计高度以下5km的风速和风向，通过对比当前的飞行位置与拟定的飞行区域，调整浮力单元体积调整装置，降低高空气球高度至特定高度从而获取飞向拟定区域的动力。

以下将结合实例对本发明的实现予以两种可行的方案，该方案仅用于解释说明本发明的使用方法并非限制其他可行方案：

关于平行四边形机构的具体实施方案：

步骤1：体积调整装置采用平行四边形机构、变胞机构、柔性机构等使周长可控的机构来实现。这种构件呈平行四边形的平面连杆机构，它是一种铰链四杆机构。杆件中部由插销链接，杆件端部由球铰连接，沿着浮力单元囊体周向用小环扣把平行四边形机构固定在囊体上，沿囊体的表面固定在浮力单元上，固定后平行四边形机构在浮力单元囊体上可以沿周向随意伸缩，而且不会在囊体上有其他方向的位移。

步骤2：高空气球的直径很大，可以将浮力单元调整平行四边形机构与囊体接触的面近似看成一个平面，在接头处的这个平面上可以安装一个电机，通过电机带动平行四边形机构中曲柄的运动，浮力单元囊体里面的压力大概在 30000N，可以选取一个合适功率的电机，通过电机控制平行四边形机构的曲柄，改变平行四边形机构的角度，控制平行四边形的伸缩来调整浮力单元的体积。

步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统控制电机正反转，实现体积的调整和高度的控制。

关于IPMC的具体实施方案：

步骤1：使用IPMC这种人工肌肉材料填充到中部承力囊体材料中来实现对囊体拉伸和收缩的改变。IPMC的激励信号为方波或正弦波，电压幅值在5V 以下，频率为0.1～1Hz。首先需要通过将制备好的IPMC材料注入到囊体材料中，在中部承力的地方形成如图1所示的一个圆环。

步骤2：在高空气球的控制系统里设计关于控制IPMC电流波形的电路，能够根据高空气球高度的需要，由控制系统对IPMC进行电流输入，IPMC材料通电后收缩或者拉伸，带动整个球体中部承力材料的变形。

步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统对体积改变装置的控制，实现体积的调整和高度的控制。

由以上的安装步骤和控制装置可以实现对高空气球囊体直径的控制。

Claims (1)

1.一种高度与轨迹可控的高空气球的使用方法，其特征在于：其应用范围如下：

步骤1：为确定所述使用方法的合理性，首先要分析风向状况；北纬地区常年以东西风为主，20km以上有稳定的东风，20km以下是稳定的西风；

步骤2：上述东西风在大陆地区具有一定的普遍性；高空气球在高度20km附近的平流层飞行，高空气球能在5km范围内进行高度调整，则根据当前飞行位置及区域控制需求，利用20km上下的东西风，并适时考虑经向风速的影响，实现在拟定飞行区域内的长时区域飞行；

步骤3：高空气球升空至设计高度后，高空气球经地面测风雷达获知设计高度至设计高度以下5km的风速和风向，通过对比当前的飞行位置与拟定的飞行区域，调整浮力单元体积调整装置，降低高空气球高度至特定高度从而获取飞向拟定区域的动力；

体积调整装置采用平行四边形机构或IPMC；

关于平行四边形机构的具体实施方案：

步骤1：体积调整装置采用平行四边形机构来实现；这种构件呈平行四边形的平面连杆机构，它是一种铰链四杆机构；杆件中部由插销链接，杆件端部由球铰连接，沿着浮力单元囊体周向用小环扣把平行四边形机构固定在囊体上，沿囊体的表面固定在浮力单元上，固定后平行四边形机构在浮力单元囊体上沿周向随意伸缩，而且不会在囊体上有其他方向的位移；

步骤2：高空气球的直径很大，将浮力单元调整平行四边形机构与囊体接触的面近似看成一个平面，在接头处的这个平面上安装一个电机，通过电机带动平行四边形机构运动，浮力单元囊体里面的压力大概在30000N，选取一个合适功率的电机，通过电机控制平行四边形机构，改变平行四边形机构的角度，控制平行四边形的伸缩来调整浮力单元的体积；

步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统控制电机正反转，实现体积的调整和高度的控制；

关于IPMC的具体实施方案：

步骤1：使用IPMC这种人工肌肉材料填充到中部承力囊体材料中来实现对囊体拉伸和收缩的改变；IPMC的激励信号为方波或正弦波，电压幅值在5V以下，频率为0.1～1Hz；首先需要通过将制备好的IPMC材料注入到囊体材料中，在中部承力的地方形成一个圆环；

步骤2：在高空气球的控制系统里设计关于控制IPMC电流波形的电路，能够根据高空气球高度的需要，由控制系统对IPMC进行电流输入，IPMC材料通电后收缩或者拉伸，带动整个球体中部承力材料的变形；

步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统对体积调整装置的控制，实现体积的调整和高度的控制。