CN108750067B - 浮空器展卷变体积装置及浮空器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浮空器展卷变体积装置及浮空器，该装置包括：对压筒，用于容纳浮空器的主囊体底部，并限定所述主囊体底部的收缩形状；呈漏斗状，顶部和底部分别具有开口；驱动器，与卷轴传动连接，为所述卷轴的转动提供动力；所述卷轴，位于所述对压筒下方，并靠近所述对压筒底部的开口，与所述主囊体底端连接，并随着自身的转动能将所述主囊体一部分从所述对压筒底部开口卷绕于所述卷轴上或展开释放出来。该方案解决了主囊体局部应力集中的问题，实现了主囊体受力均衡，提高浮空器的安全性。

Description

浮空器展卷变体积装置及浮空器

技术领域

本发明涉及浮空器技术领域，尤其是一种浮空器展卷变体积装置及浮空器。

背景技术

临近空间浮空器是指主要利用浮力在20km高度附近进行持久驻空飞行的轻于空气的飞行器，可为对地观测、预警探测、通信中继、防灾减灾、环境监测和高速通信等应用提供飞行平台。

临近空间浮空器体积庞大，飞行控制所需的动力分系统和能源分系统的设计非常复杂，重量代价高。临近空间底部存在准零风层，在准零风层附近，东风带和西风带之间存在空间范围较大、时间上比较稳定的纬向风转换层。浮空器通过高度调控来利用不同风向的风层，能以较小的能源和动力代价进行对浮空器的一定轨迹控制，实现区域驻留或机动飞行。

浮空器的高度调控技术主要有抛压舱物/放气、副气囊调节、体积调节三种。抛压舱物/放气调节通过抛除压舱物和排放浮升气体来调节浮空器驻空高度，该方法会造成系统运行状态的不可逆，无法实现浮空器的长期运行。副气囊调节通过将环境气体压入或排出副气囊来调节浮空器驻空高度，该方法受制于高空压气机的工作效率和功率需求，其调节高度范围有限。体积调节通过改变浮空器囊体的体积来调整系统所受浮力，无使用次数和调节高度的限制。

目前，浮空器体积调节通常采用可变形的刚性内骨架或外骨架方法。可变形的刚性内骨架在浮空器主囊体内安装，通过对刚性骨架伸缩控制或变形控制，牵引主囊体外形变化，完成浮空器体积调节。可变形的刚性外骨架通常在浮空器主囊体的表面安装一个周长可收缩的装置，通过对该装置的收缩或释放来控制对主囊体体积调节。这两类系统的优点是系统结构简单、成本低。缺点是刚柔结合部位多，容易造成主囊体局部应力集中，影响浮空器结构安全性，且在收缩状态时囊体材料的状态不易控制，影响再次释放的安全性。

发明内容

本发明提供一种浮空器展卷变体积装置及浮空器，用于克服现有技术中主囊体局部应力集中等缺陷，实现主囊体受力的均衡，提高主囊体系统结构的安全性能。

为实现上述目的，本发明提出一种浮空器展卷变体积装置，包括：

对压筒，用于容纳浮空器的主囊体底部，并限定所述主囊体底部的收缩形状；呈漏斗状，顶部和底部分别具有开口；

驱动器，与卷轴传动连接，为所述卷轴的转动提供动力；

所述卷轴，位于所述对压筒下方，并靠近所述对压筒底部的开口，与所述主囊体底端连接，并随着自身的转动能将所述主囊体一部分从所述对压筒底部开口卷绕于所述卷轴上或展开释放出来。

本发明还提供一种浮空器，包括安装架和位于所述安装架上的主囊体以及所述浮空器展卷变体积装置以及用于根据高度调节命令向所述浮空器展卷变体积装置的驱动器发出体积控制指令的控制装置；

所述浮空器展卷变体积装置的驱动器和卷轴均安装在所述安装架上；

所述主囊体的底部位于所述浮空器展卷变体积装置的对压筒内，并且所述主囊体的底端从所述对压筒底部开口伸出后固定于所述卷轴上；

所述驱动器的控制端与所述控制装置电性连接。

本发明提供的浮空器展卷变体积装置及浮空器，控制器根据浮空器高度调节命令对驱动器发出工作指令，当降低浮空器驻空高度时，驱动器带动卷轴对主囊体材料进行收缩卷叠，主囊体体积减小，浮空器所受浮力减小，向下运动至新的平衡高度；当升高浮空器驻空高度时，驱动器带动卷轴缓释主囊体材料，主囊体在超压的作用下体积增大，浮空器所受浮力增大，向上运动至新的平衡高度；在卷轴卷动主囊体材料的过程中，主囊体材料经过对压筒，经对压筒底部的开口被缠绕在卷轴上，通过对压筒从主囊体的底部周围缓缓的对主囊体施力，对压筒与主囊体的接触面积以及卷轴与主囊体的接触面积均较大，并且不存在受力集中部位，提高了主囊体系统结构安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为发明实施例一提供的浮空器展卷变体积装置的使用状态示意图；

图2为图1中锁紧机构的结构示意图；

图3为发明实施例二提供的浮空器的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	对压筒	5	支架
2	驱动器	51	聚拢环
				3	卷轴	52	侧面架
4	锁紧机构	6	吊舱
				41	闸瓦	7	旋转机构
42	锁销	71	滑杆
				43	执行器	72	吊环
44	弹簧	73	悬挂索
				41a	弧形瓦片	20	安装架
41b	闸柄	30	控制装置
				10	主囊体	301	自锁模块

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种浮空器展卷变体积装置及浮空器。

实施例一

请参照图1，本发明提供一种浮空器展卷变体积装置，包括对压筒1、驱动器2、卷轴3；

对压筒1用于容纳浮空器的主囊体10的底部，并限定所述主囊体10底部的收缩形状；对压筒1呈漏斗状，顶部和底部分别具有开口；在本发明一具体实施例中，对压筒1可以为旋转曲面，例如呈弧面状，对压筒1内侧面与主囊体10内部充满气体时底部的形状相同或相似，增加了对压筒与主囊体10之间的接触面积，减小主囊体10在收缩过程中局部受力集中的可能性，提高安全性能；在本发明另一实施例中，对压筒1顶部的开口和底部的开口具有外翻的边缘，避免棱状线接触造成局部应力集中。所述对压筒1的横截面呈圆形、椭圆形或其他规则、不规则的光滑封闭曲线。对压筒1还可以由多个环在轴向上间隔排列形成，相邻环之间彼此连接。环的形状包括但不限于圆形、椭圆形或光滑曲线形。

驱动器2与卷轴3传动连接，为所述卷轴2的转动提供动力；这里的驱动器2包括一切能够提供动力的器件，例如电动机、液压马达、气缸、油缸等，这里优选为能够直接输出驱动力矩的电动机，如果气缸、油缸或步进电机等输出直线动力的驱动器可以通过传动机构将直线运动转换为转动力矩。

所述卷轴3，位于所述对压筒1下方，并靠近所述对压筒1底部的开口，与所述主囊体10底端连接，并随着自身的转动能将所述主囊体10一部分从所述对压筒底部开口卷绕于所述卷轴10上或展开释放出来。优选为卷轴3位于主囊体10的整下方，减小转动过程中经对压筒1底部开口对主囊体10造成局部挤压。

为了减轻浮空器重量，卷轴3可设置呈空心状。

本发明提供的浮空器展卷变体积装置，控制器根据浮空器高度调节命令对驱动器发出工作指令，当降低浮空器驻空高度时，驱动器带动卷轴对主囊体材料进行收缩卷叠，主囊体体积减小，浮空器所受浮力减小，向下运动至新的平衡高度；当升高浮空器驻空高度时，驱动器带动卷轴缓释主囊体材料，主囊体在超压的作用下体积增大，浮空器所受浮力增大，向上运动至新的平衡高度；在卷轴卷动主囊体材料的过程中，主囊体材料经过对压筒，经对压筒底部的开口被缠绕在卷轴上，通过对压筒从主囊体的底部周围缓缓的对主囊体施力，对压筒与主囊体的接触面积以及卷轴与主囊体的接触面积均较大，同时，展卷变体积装置与主囊体之间没有电气接口和机械接口，不会造成囊体材料的应力集中问题，对囊体材料性质和主囊体设计无特殊要求，主囊体系统的结构安全性高。此外，由于展卷变体积装置无须改变浮空器系统重量组成，因此该展卷变体积装置可长时间的重复工作。

参见图2，在本发明一优选实施例中，所述电动机位于所述空心轴一端，所述空心轴另一端具有用于防止所述空心轴在外力作用下转动的锁紧机构4。锁紧机构4可以参照车辆中轮胎的刹车机构，例如抱闸锁紧机构、摩擦片锁紧机构等，还可以对步进电动机在控制端设置自锁电路，从而实现卷轴3的锁定。在卷轴3按照控制指令转动到指定的位置时，防止了浮空器在运动过程中受到外力作用而迫使卷轴3转动而造成的浮空器失控。

继续参照图2，抱闸锁紧机构包括两闸瓦41、锁销42和执行器43，其中：

两闸瓦41在中部铰接，其中一端具有弧形瓦片41a，所述卷轴位于两弧形瓦片之间；另一端具有闸柄41b；两弧形瓦片41a之间围合形成半封闭的弧形或圆弧形，为增加摩擦力，可以在弧形瓦片41a靠近卷轴3的内壁上安装摩擦片；

锁销42沿所述闸柄41b的开合方向穿设于两所述闸柄41b上，并且位于两所述闸柄41b之间的部分上穿设有弹簧44；弹簧44两端分别连接在两所述闸柄41b上；

执行器43连接于所述锁销42伸出所述闸柄41b的一端。执行器43可以是舵机。

锁紧状态时，两弧形瓦片41a抱紧卷轴3，气缸活塞驱动锁销使得弹簧44处于拉伸状态；解锁状态时，两弧形瓦片41a松开卷轴3，气缸活塞驱动锁销使得弹簧44处于压缩状态。

浮空器展卷变体积装置还包括支架5，所述支架5底部具有用于连接吊舱6的旋转机构7。旋转机构7包括但不限于铰接机构、摆动机构等。

对浮空气主囊体和吊舱之间的旋转运动解耦，保证支架与主囊体保持旋转上的相对静止，避免吊舱或支架对主囊体因旋转作用导致的应力集中，提高了浮空系统的结构安全性。

所述旋转机构7包括滑杆71、吊环72和悬挂索73，其中：

滑杆71连接在所述支架5底部，并与所述卷轴3平行；

吊环72穿设于所述滑杆71中部(与主囊体10的中心轴线方向重合，保持浮空器的受力平衡)，并通过螺栓组件或其他紧固件件固定在所述滑杆71；在安装过程中，可以松开紧固件使得吊环72沿所述滑杆71，以方便调整吊舱的位置，保持整个浮空器重心重合，受力平衡，减小在移动过程发生翻转的可能；

悬挂索73两端分别连接所述吊环72与吊舱6。

这种旋转机构结构简洁、易于安装，并且重量轻，减轻浮空器自重。

所述支架5包括至少一个聚拢环51和侧面架52，其中：

聚拢环51呈环状，位于所述对压筒1上方，且所述聚拢环51的尺寸大于所述对压筒1顶部开口的尺寸，用于对所述主囊体10进行预收缩；

侧面架52顶部与所述聚拢环51连接，底部与所述滑杆71连接，用于为所述对压筒1、驱动器2及卷轴3提供支撑。

主囊体10在进入卷轴3进行卷叠前，需要依次通过聚拢环51和对压1筒进行囊体整理和挤压，保证囊体卷叠均匀性，排除浮升气体进入卷叠，保证了囊体材料的安全性。

此外，聚拢环51可采用轻质高强的光滑碳纤维杆制作，聚拢环51与主囊体10无接口连接，对主囊体10囊体整理和对展卷变体积装置的位置固定。

对压圆筒1安装在侧面架52中部，对压圆筒1可由表面光滑的低温适应性好的复合材料制成，可随主囊体10的滑动而相对侧面架52转动，用于对主囊体10的整理和挤压。

卷轴3安装在侧面架52下部，卷轴3可由表面光滑的低温适应性好的复合材料制成，由侧面架52带动其转动，用于对主囊体的展开或卷起。

吊环71安装在侧面架52底部，由承力性好和低温适应性好的金属或高性能复合材料制成，用于对浮空气主囊体10和吊舱6之间的旋转运动解耦，保证侧面架52与主囊体10保持旋转上的相对静止，避免吊舱6或侧面架52对主囊体10因旋转作用导致的应力集中，提高了浮空系统的结构安全性。

实施例二

参见图3，本发明实施例提供一种浮空器，包括安装架和位于所述安装架20上的主囊体10、上述任一实施例所述的浮空器展卷变体积装置以及用于根据高度调节命令向所述浮空器展卷变体积装置的驱动器2发出体积控制指令的控制装置30；控制装置30为计算机；

所述浮空器展卷变体积装置的驱动器2和卷轴3均安装在所述安装架20上；

所述主囊体10的底部位于所述浮空器展卷变体积装置的对压筒1内，并且所述主囊体10的底端从所述对压筒1底部开口伸出后固定于所述卷轴3上；

所述驱动器2的控制端与所述控制装置30电性连接。

在主囊体10下部设置展卷变体积装置，根据地面或机载计算机提供的浮空器高度调节命令，体积控制计算机计算出调节高度与调节方向，控制展卷电机的工作模式，通过旋转方向和工作时间，调节主囊体体积变化量。

当降低浮空器驻空高度时，展卷电机根据体积控制计算机的指令启动，带动卷叠滚筒的旋转，对囊体材料进行收缩，减小主囊体10体积。主囊体10首先经过支架5顶部的聚拢环51进行初步收缩，然后由对压筒1进行囊体整形收缩，挤压囊体内的浮升气体，最后在卷轴3上均匀卷叠。当升高浮空器驻空高度时，展卷电机带动卷轴3反向转动，缓释囊体材料，在主囊体10超压的作用下将使体积增大。

为进一步防止浮空器失控，防止卷轴3在受到环境等非驱动力的情况下而转动，所述控制装置30还包括用于控制所述驱动器2自锁的自锁模块301，所述控制装置301在所述驱动器2执行完所述体积控制指令后的预设时间段内向所述自锁模块301发送锁紧指令，在发出所述体积控制指令前的预设时间段内向所述自锁模块301发送解锁指令。自锁模块301可以是自锁控制电路，也可以是控制程序，本领域的普通技术人员能够根据具体情况进行设计和搭建，在此不再举例说明。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种浮空器展卷变体积装置，其特征在于，包括：

对压筒，用于容纳浮空器的主囊体底部，并限定所述主囊体底部的收缩形状；呈漏斗状，顶部和底部分别具有开口；

驱动器，与卷轴传动连接，为所述卷轴的转动提供动力；

所述卷轴，位于所述对压筒下方，并靠近所述对压筒底部的开口，与所述主囊体底端连接，并随着自身的转动能将所述主囊体一部分从所述对压筒底部开口卷绕于所述卷轴上或展开释放出来。

2.如权利要求1所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述对压筒横截面呈圆形、椭圆形或矩形。

3.如权利要求1所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述驱动器包括电动机。

4.如权利要求3所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述卷轴为空心轴，所述电动机位于所述空心轴一端，所述空心轴另一端具有用于防止所述空心轴在外力作用下转动的锁紧机构。

5.如权利要求4所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述锁紧机构为抱闸锁紧机构，包括：

两闸瓦，中部铰接，其中一端具有弧形瓦片，所述卷轴位于两弧形瓦片之间；另一端具有闸柄；

锁销，沿所述闸柄的开合方向穿设于两所述闸柄上，并且位于两所述闸柄之间的部分上穿设有弹簧；

所述弹簧，两端分别连接在两所述闸柄上；

执行器，连接于所述锁销伸出所述闸柄的一端。

6.如权利要求1～5任一项所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，还包括支架，所述支架底部具有用于连接吊舱的旋转机构。

7.如权利要求6所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述旋转机构包括：

滑杆，连接在所述支架底部，与所述卷轴平行；

吊环，穿设于所述滑杆上，通过紧固件固定在所述滑杆的中部；

悬挂索，连接所述吊环与吊舱。

8.如权利要求7所述的浮空器展卷变体积装置，其特征在于，所述支架包括：

聚拢环，呈环状，位于所述对压筒上方，且所述聚拢环的尺寸大于所述对压筒顶部开口的尺寸，用于对所述主囊体进行预收缩；

侧面架，顶部与所述聚拢环连接，底部与所述滑杆连接，用于为所述驱动器、卷轴及对压筒提供支撑。

9.一种浮空器，包括安装架和位于所述安装架上的主囊体，其特征在于，还包括上述权利要求1～8任一项所述的浮空器展卷变体积装置以及用于根据高度调节命令向所述浮空器展卷变体积装置的驱动器发出体积控制指令的控制装置；

所述浮空器展卷变体积装置的驱动器和卷轴均安装在所述安装架上；

所述主囊体的底部位于所述浮空器展卷变体积装置的对压筒内，并且所述主囊体的底端从所述对压筒底部开口伸出后固定于所述卷轴上；

所述驱动器的控制端与所述控制装置电性连接。

10.根据权利要求9所述的浮空器，其特征在于，所述控制装置还包括用于控制所述驱动器自锁的自锁模块，所述控制装置在所述驱动器执行完所述体积控制指令后的预设时间段内向所述自锁模块发送锁紧指令，在发出所述体积控制指令前的预设时间段内向所述自锁模块发送解锁指令。

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