CN108284937A - 一种系留浮空气球平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系留浮空气球平台，包括由至少三个相互连接并紧密接触的浮空气球构成的气球阵、固定于气球阵顶部的太阳能电池组件、固定于气球阵底部的设备安装台、主系留绳、以及固定于地面的地面系留装置；每一个浮空气球的底部均连接有聚合绳，所有聚合绳汇集到一起并与主系留绳上端连接，主系留绳下端与地面系留装置连接。本发明以多个浮空气球组合构成一个浮空气球阵，具有长时间滞空的能力，滞空过程中的抗风性好。解决了基于浮空器平台的空中通讯基站因为能源不足而无法实现在偏远地区较长时间无人值守的问题。解决了单个大尺寸浮空气球对材料强度要求高，导致的成本高等因素而难以实际应用的问题。

Description

一种系留浮空气球平台

技术领域

本发明属于轻于空气飞行器领域,具体涉及一种系留浮空气球平台。

背景技术

浮空器是一种依靠密度轻于空气的浮升气体实现定点滞空或飞行的航空飞行器，具有效费比高、滞空时间长等特殊使用优势，在通信、信息传输等技术领域内具有广泛应用前景。

为了实现对宽广地面及偏远山区用户的通信、信息传输等目的，将通信、信息传输用的无线移动通讯基站等设备安装到浮空器上，并且通过地面供电等措施，保障空中基站正常工作，依赖浮空器平台滞空时间长的优势，在一定时间范围内可实现平台无人值守工作。

然而在偏远地区，由于敷设供电线路成本高，能够为空中通讯基站提供电源的方法只有蓄电池或地面太阳能电站。其中，蓄电池容量有限，需要工作人员频繁更换电池，而地面太阳能电站受风沙、日照角度与时间的影响，供电能力有限，并且由于地面太阳能电站架设周期长、费用高，难以适应空中通讯基站的快速部署需求。

目前作为空中通讯基站平台的艇型或球型浮空器都是单个设计，一方面，由于其尺寸体积大，对浮空器囊体材料强度要求高，从而导致浮空器制造成本高昂。另一方面，这种单一的艇型或球型浮空器不适于高效能硬质太阳能电池板在囊体上的固定安装。而且体积庞大的浮空器平台在滞空状态时，受风力的影响，会朝某一个方向旋转，抗风性能弱。同时还存在升空回收操作困难等不足。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种对囊体材料要求低、成本低、抗风性好、可实现长期无人值守的系留浮空气球平台。

本发明解决问题的技术方案是：一种系留浮空气球平台，包括由至少三个相互连接并紧密接触的浮空气球构成的气球阵、固定于气球阵顶部的太阳能电池组件、固定于气球阵底部的设备安装台、主系留绳、以及固定于地面的地面系留装置；

每一个浮空气球的底部均连接有聚合绳，所有聚合绳汇集到一起并与主系留绳上端连接，主系留绳下端与地面系留装置连接。

上述方案中，浮空气球的囊体可采用球型充气膜结构，采用轻质柔性复合材料，如高分子薄膜材料、PU或PVC涂层复合材料制造，具有较低的材料重量，较好的气密性。气球囊体顶部及底部的连接处均采用柔性连接。设备安装台为采用轻质、高强刚性材料（如铝合金、碳纤维复合材料等）制造的刚性结构桁架，其上设置有安装接口，通过安装接口装配连接各种电子设备。

优选的，气球阵由三个充满浮升气体（氢气、氦气等）的浮空气球构成。

一种优选的方案中，在其中一个浮空气球的下部设有迎风兜，所述迎风兜为与浮空气球固定连接的可摆动、扭曲的柔性平面，迎风兜的下端连接有张拉绳，张拉绳的另一端与主系留绳的上端连接。

另一种优选的方案中，在位于同一直线上的浮空气球中、每个浮空气球下部均设有迎风兜，所有迎风兜位于同一直线上并朝向同一方向，每个迎风兜的下端连接有张拉绳，张拉绳的另一端与主系留绳的上端连接。

在不设计迎风兜的情况下，滞空时，气球受到高空的风影响，可能存在朝某一方向不停旋转的问题。

上述方案中，在设置一个迎风兜的情况下，朝某一侧面吹来的风被迎风兜遮挡，浮空气球随之转动一定偏角，但在主系留绳的约束下，又会回转，使得在风力影响下，气球始终在一个小角度范围内来回小幅偏摆。设置两个或更多个迎风兜是为了增大兜风的面积，从而缩小偏摆幅度。因此，通过迎风兜可使得系留浮空气球平台在滞空工作时，实现其姿态的自动调节，避免朝某一个方向不停旋转的问题。迎风兜可采用三角形或等腰梯形结构，采用柔性高分子复合材料制作，与囊体底部可靠连接。

进一步的，所述浮空气球的囊体内设有空气囊、以及控制空气囊内的空气进出的控制组件。

所述控制组件包括阀门、风机等常规压力控制部件，是现有技术常用的部件。目的是使囊体保持较为恒定的工作压力，进一步提高囊体工作时的安全性。

进一步的，在相邻浮空气球的接触面之间设有将相邻的浮空气球之间相对固定的交叉系绳。设计交叉系绳是为了提高气球的整体平稳性和结构安全。

具体的，所述地面系留装置包括固定于地面的柔性垫、用于收放主系留绳的主卷扬机，主卷扬机设置在浮空气球的正下方。所述柔性垫可以为气垫、海棉垫、泡沫垫等。

所述柔性垫与浮空气球的数量相同，且为中空的环形结构，其环心的间距与浮空气球之间的球心间距相等。

优选的，每一个浮空气球的底部还设有辅助系留绳，所述地面系留装置还包括固定在地面上的辅助卷扬机，辅助卷扬机与辅助系留绳的数量相同，所述辅助系留绳的另一端与其对应的辅助卷扬机连接。

柔性垫优选为气垫。气垫充气后，其尺寸适应浮空气球囊体及设备安装台的置放，即气球囊体和设备安装台位于气垫上时，各种设备不接触地面或不与地面设施干涉。辅助卷扬机设置于气垫的环形中心，主卷扬机设置在辅助卷扬机所围绕的中心。

优选的，所述浮空气球的外侧面上设有多根锚泊绳，在浮空气球处于回收状态时，锚泊绳与地面系留装置连接。

所述太阳能电池组件包括太阳能电池架及安装于太阳能电池架上的太阳能电池。所述的太阳能电池架为采用轻质、高强刚性材料（如铝合金、碳纤维复合材料等）制造成型的平面刚性桁架结构，在太阳能电池架底部设置有安装接口，通过该安装接口以绳索捆绑或螺钉连接等方式，实现太阳能电池架与气球顶部的装配连接。太阳能电池板可以是硬质平板太阳能电池、或者薄膜太阳能电池、或其他柔性太阳能电池，通过粘接或机械连接的方式，实现与太阳能电池架的桁架结构可靠固定。

在浮空气球的囊体充气成型前，安装好太阳能电池架及囊体表面的锚泊绳与交叉系绳。在充气成型过程中完成系留缆绳与气球囊体及地面系留装置的连接。其中，辅助系留缆绳与辅助卷扬机及囊体底部连接，主系留缆绳与主卷扬机及聚合绳连接，聚合绳上端与囊体底部连接。最后完成设备安装台在气球囊体底部的安装，构成一个完整的平台。

本发明的显著效果是：

1.以多个浮空气球组合构成一个浮空气球阵，为太阳能电池架及设备安装台的升空提供足够升力，且浮空气球阵具有长时间滞空的能力。通过太阳能电池架，可以实现太阳能电池的大面积敷设，为平台提供充足电源供应，使得平台工作电源实现自给，解决了基于浮空器平台的空中通讯基站因为能源不足而无法实现在偏远地区较长时间无人值守的问题。

通过设备安装台，可以实现重量大、面积大的设备如空中通讯基站、通信天线及其他设备的安装。

2.以多个尺寸相对较小的气球囊体组合取代现有技术中的大尺寸单个浮空气球，解决了因为单个大尺寸浮空气球囊体对材料强度要求高，导致的成本高等因素而难以实际应用的问题。

3.迎风兜的设计使得滞空过程中的姿态稳定性好。

4.在电源充足区域，将系留缆绳中的主系留缆绳更换为供电复合缆绳或光电复合缆绳，可以实现地面供电及大容量信息传输。

5.成本低，装载能力强，可以用作浮空太阳能电站，在供电不足的地区具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为系留浮空气球平台升空状态结构示意图。

图2为系留浮空气球平台侧视图。

图3为系留浮空气球平台地面锚泊状态图。

图4为系留浮空气球平台俯视图。

图5为系留浮空气球平台地面系留装置俯视图。

图中：10-太阳能电池组件，21-浮空气球，22-交叉系绳，24-锚泊绳，26-迎风兜，27-张拉绳，30-设备安装台，41-辅助系留缆绳，42-主系留缆绳，43-聚合绳，50-柔性垫，60-地面系留装置，61-主卷扬机，62-辅助卷扬机，70-设备。

具体实施方式

如图1～5所示，一种系留浮空气球平台，包括由三个相互连接并紧密接触的浮空气球21构成的气球阵、固定于气球阵顶部的太阳能电池组件10、固定于气球阵底部的设备安装台30、主系留绳42、以及固定于地面的地面系留装置60。在相邻浮空气球21的接触面之间设有将相邻的浮空气球21之间相对固定的交叉系绳22，以提高气球的整体平稳性和结构安全。

所述太阳能电池组件10包括太阳能电池架及安装于太阳能电池架上的太阳能电池。

每一个浮空气球21的底部均连接有聚合绳43，所有聚合绳43汇集到一起并与主系留绳42上端连接，主系留绳42下端与地面系留装置60连接。

浮空气球21的囊体可采用球型充气膜结构，采用轻质柔性复合材料，如高分子薄膜材料、PU或PVC涂层复合材料制造，具有较低的材料重量，较好的气密性。气球囊体顶部及底部的连接处均采用柔性连接。设备安装台30为采用轻质、高强刚性材料（如铝合金、碳纤维复合材料等）制造的刚性结构桁架，其上设置有安装接口，通过安装接口装配连接各种设备70。

一种优选的方案中，在其中一个浮空气球21的下部设有迎风兜26，所述迎风兜26为与浮空气球21固定连接的可摆动、扭曲的柔性平面，迎风兜26的下端连接有张拉绳27，张拉绳27的另一端与主系留绳42的上端连接。

另一种优选的方案中，在位于同一直线上的浮空气球21中、每个浮空气球21下部均设有迎风兜26，所有迎风兜26位于同一直线上并朝向同一方向，每个迎风兜26的下端连接有张拉绳27，张拉绳27的另一端与主系留绳42的上端连接。对于本实施例有三个浮空气球21的情况，在同一直线上的浮空气球21、并满足设置的迎风兜26也在同一直线上朝向同一方向的，有三个方向，即三角形的任意一条边，也就是说任意选择在两个相邻的浮空气球21设置迎风兜26均可。

对于有四个浮空气球21的情况，能满足上述条件的，有四个方向，即四边形的任意一条边，也就是在同一边的两个相邻的浮空气球21上设置迎风兜26。

对于有六个浮空气球21的情况，以此类推，原则上只要满足所设置的迎风兜26面朝同一方向即可。

所述浮空气球21的囊体内设有空气囊、以及控制空气囊内的空气进出的控制组件。

所述地面系留装置60包括固定于地面的柔性垫50、用于收放主系留绳42的主卷扬机61，主卷扬机61设置在浮空气球21的正下方。

所述柔性垫50与浮空气球21的数量相同，且为中空的环形结构，其环心的间距与浮空气球21之间的球心间距相等。

每一个浮空气球21的底部还设有辅助系留绳41，所述地面系留装置60还包括固定在地面上的辅助卷扬机62，辅助卷扬机62与辅助系留绳41的数量相同，所述辅助系留绳41的另一端与其对应的辅助卷扬机62连接。

柔性垫50优选为气垫。气垫充气后，其尺寸适应浮空气球21囊体及设备安装台30的置放，即气球囊体和设备安装台30位于气垫上时，各种设备不接触地面或不与地面设施干涉。辅助卷扬机62设置于气垫的环形中心，主卷扬机61设置在辅助卷扬机62所围绕的中心。

所述浮空气球21的外侧面上设有多根锚泊绳24，在浮空气球21处于回收状态时，锚泊绳24与地面系留装置60连接。

该平台的升空操作包括六个步骤：

步骤1：完成太阳能电池架、设备安装台30的安装及状态检查后，同时依次解开三个浮空气球21的锚泊绳与地面系留装置60的连接；

步骤2：开启三个辅助卷扬机62，同步释放三根辅助系留绳41；

步骤3：观察并判断主系留绳42是否受力，若主系留绳42没有受力，继续同步释放三根辅助系留绳41，直至主系留绳42处于拉伸、受力状态；

步骤4：开启主卷扬机61，释放主系留绳42；

步骤5：观察并判断辅助系留绳41是否受力或与辅助卷扬机62的连接关系，若辅助系留绳41末端离开辅助卷扬机62，则关停辅助卷扬机62；若辅助系留绳41处于受力状态，即辅助系留绳41末端未与辅助卷扬62机分离，则持续辅助系留绳41的释放；

步骤5：辅助系留绳41完全释放，持续释放主系留绳42，使整个平台升至规定高度；

步骤6：查验升空高度满足任务需求，关停主卷扬机61，平台升空操作结束。

该平台的回收操作包括六个步骤：

步骤1：确认地面状态及环境满足平台回收要求，开启主卷扬机61，回收主系留绳42；

步骤2：观察辅助系留绳41末端能否够到辅助卷扬机62，若不能够到，持续回收主系留绳42；若能够到，将三根辅助系留绳41分别与三个辅助卷扬机62连接；

步骤3：开启辅助卷扬机62，同步回收辅助系留绳41；

步骤4：观察并判断主系留绳42是否受力，若主系留绳42处于受力状态，继续同步回收主系留绳42和辅助系留绳41；

步骤5：当主系留绳42处于弯曲、不受力状态时，关停主卷扬机61，继续回收辅助系留绳41；

步骤6：当浮空气球21的气囊与气垫表面接触，关停三个辅助卷扬机62，将囊体上的锚泊绳24与地面固定连接固定。至此回收操作结束，平台进入地面锚泊状态。

Claims (10)

1.一种系留浮空气球平台，其特征在于：包括由至少三个相互连接并紧密接触的浮空气球（21）构成的气球阵、固定于气球阵顶部的太阳能电池组件（10）、固定于气球阵底部的设备安装台（30）、主系留绳（42）、以及固定于地面的地面系留装置（60）；

每一个浮空气球（21）的底部均连接有聚合绳（43），所有聚合绳（43）汇集到一起并与主系留绳（42）上端连接，主系留绳（42）下端与地面系留装置（60）连接。

2.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：在其中一个浮空气球（21）的下部设有迎风兜（26），所述迎风兜（26）为与浮空气球（21）固定连接的可摆动、扭曲的柔性平面，迎风兜（26）的下端连接有张拉绳（27），张拉绳（27）的另一端与主系留绳（42）的上端连接。

3.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：在位于同一直线上的浮空气球（21）中、每个浮空气球（21）下部均设有迎风兜（26），所有迎风兜（26）位于同一直线上并朝向同一方向，每个迎风兜（26）的下端连接有张拉绳（27），张拉绳（27）的另一端与主系留绳（42）的上端连接。

4.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：所述浮空气球（21）的囊体内设有空气囊、以及控制空气囊内的空气进出的控制组件。

5.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：在相邻浮空气球（21）的接触面之间设有将相邻的浮空气球（21）之间相对固定的交叉系绳（22）。

6.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：所述地面系留装置（60）包括固定于地面的柔性垫（50）、用于收放主系留绳（42）的主卷扬机（61），主卷扬机（61）设置在浮空气球（21）的正下方。

7.根据权利要求6所述的系留浮空气球平台，其特征在于：所述柔性垫（50）与浮空气球（21）的数量相同，且为中空的环形结构，其环心的间距与浮空气球（21）之间的球心间距相等。

8.根据权利要求6或7所述的系留浮空气球平台，其特征在于：每一个浮空气球（21）的底部还设有辅助系留绳（41），所述地面系留装置（60）还包括固定在地面上的辅助卷扬机（62），辅助卷扬机（62）与辅助系留绳（41）的数量相同，所述辅助系留绳（41）的另一端与其对应的辅助卷扬机（62）连接。

9.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：所述浮空气球（21）的外侧面上设有多根锚泊绳（24），在浮空气球（21）处于回收状态时，锚泊绳（24）与地面系留装置（60）连接。

10.根据权利要求1所述的系留浮空气球平台，其特征在于：所述太阳能电池组件（10）包括太阳能电池架及安装于太阳能电池架上的太阳能电池。