CN110641676A - 平流层浮空平台及其部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平流层浮空平台及其部署方法，平台包括载荷舱和动力舱；载荷舱为顶端封闭、底端开口的舱体，底端连接有封闭开口的伞舱盖和用于打开伞舱盖的弹盖器，载荷舱内自下向上依次设有减速系统、浮空系统、缓冲装置、充气系统和电源，浮空系统包括浮空主体和调节浮空主体高度的高度调节机构；动力舱为火箭助推器，动力舱与载荷舱之间设有分离装置。利用火箭助推器作为动力源，采用火箭助推发射，可以减小地面天气和场地对于本平台释放的限制与影响，降低通过对流层时的风险，而且极大地减少部署了所需时间；通过高度调节机构调节浮空主体的高度，使浮空主体进入不同风向区域，实现由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源。

Description

平流层浮空平台及其部署方法

技术领域

本发明属于浮空器领域，特别是涉及一种平流层浮空平台及其部署方法。

背景技术

平流层浮空器运行在20—35km的空域，通过携带不同的有效载荷，完成数据通讯、对地观测、战场监控等任务，具有滞空时间长、覆盖面积广等优点。

常规平流层浮空器的部署过程，需要经过地面准备、展开、充气、释放、爬升、驻空等阶段。此方案存在一定的风险和不足，主要表现在：放飞条件限制多，要求放飞场地大且平整、周围无障碍；升空过程风险大，浮空器囊体在穿过对流层时受较大的风剪切力作用，容易造成破坏；部署时间长，浮空器从地面充气到依靠浮力上升至临近空间需要花费一定时间。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种既能降低释放环境要求又能快速完成浮空器部署的平流层浮空平台及其部署方法。

本发明提供的这种平流层浮空平台，它包括载荷舱和可拆卸连接于载荷舱底部的动力舱；载荷舱为顶端封闭、底端开口的中空舱体，其底端连接有封闭开口的伞舱盖和用于弹开伞舱盖的弹盖器，载荷舱内自底部向顶部依次设有减速系统、浮空系统、缓冲装置、充气系统和电源，浮空系统包括浮空主体和调节浮空主体高度的高度调节机构；动力舱为火箭助推器，动力舱连接于伞舱盖外。

在一个具体实施方式中，所述减速系统包括减速伞和切割器，切割器设置于减速伞下端伞绳上，伞绳的底端与浮空系统相连。

为了实现切断，所述切割器包括外套、挂杆和热熔丝；外套的顶端设有挂环以与所述伞绳相连，底端设有用通孔；挂杆连接于外套内，挂杆上设有便于熔断的槽口，热熔丝绕于槽口内，所述浮空系统通过系绳系于挂杆下。

在一个具体实施方式中，所述高度调节机构包括超压空气囊体、阀门和空压机，超压空气囊体置于浮空主体内，阀门的一端与超压空气囊体连通，另一端与空压机连通，空压机工作自阀门向超压空气囊体内充气，空压机停止工作、阀门开启将超压空气囊体内空气排出。

为了防止漏气，所述浮空主体为层压复合囊体，其囊壁自外向内依次为防老化层、中间胶层和阻氦层。

在一个具体实施方式中，所述浮空系统还包括有效载荷舱，有效载荷舱通过系绳悬挂于浮空主体的最下方。

所述缓冲装置包括弹簧和分设于弹簧两端的减震块，上部的减震块连接于充气系统下；所述弹盖器为电磁弹盖器。

在一个具体实施方式中，所述充气系统包括气瓶、导气管和设置于导气管上的减压阀、单向阀和分离器，减压阀的输入口与气瓶连通、输出口与单向阀的入口连通，单向阀的出口与所述浮空主体连通，分离器设置于减压阀和单向阀之间。

作为优选，所述分离器包括分离舱和发热体；分离舱为两端封闭的圆柱型舱体，其两端端板原因位置处均设有通孔；发热体为圆筒，发热体同轴布置于分离舱内；所述导气管自发热体内穿过。

本发明还提供了一种平流层浮空平台的部署方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制动力舱工作，将平台运输至开伞点；

步骤二、控制弹盖器工作，弹开伞舱盖即可实现动力舱与载荷舱的分离；

步骤三、减速系统拉出工作，使载荷舱减速，平稳后控制气瓶打开，氦气自高压侧的气瓶内进入低压侧的浮空主体中；

步骤四、充气完成后，切割器工作，实现减速系统与浮空主体的分离，分离器工作，实现充气系统与浮空器主体的分离，使浮空系统单独悬浮在平流层；

步骤五、控制高度调节机构工作，调节高度，使浮空系统进入不同风向区域，由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源即可实现对浮空平台的定点与机动控制；完成部署。

本发明一方面利用火箭助推器作为动力源，采用火箭助推发射，可以减小地面天气和场地对于本平台释放的限制与影响，降低通过对流层时的风险，而且极大地减少部署了所需时间；另一方面通过高度调节机构调节浮空主体的高度，使浮空主体进入不同风向区域，实现由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的主视示意图。

图2为本优选实施例中弹盖器的电磁弹射电路原理图。

图3为弹射器与伞舱盖的装配主视示意图。

图4为缓冲装置的放大示意图。

图5为本优选实施例中减速系统、浮空系统、充气系统的连接示意图。

图6为本优选实施例中切割器的放大示意图。

图7为本优选实施中浮空系统的放大示意图。

图8为本优选实施例中分离器的放大示意图。

图示序号：

1—载荷舱，11—圆柱舱，12—圆锥舱，13—伞舱盖，14—弹盖器，15—隔板，16—尾翼；

2—动力舱；

3—减速系统，31—减速伞，32—切割器、321—外套、322—挂杆、323—热熔丝、324—挂环、325—槽口；

4—浮空系统，41—系绳，42—浮空主体，43—调节机构、431—超压空气囊体、432—阀门、433—空压机，44—有效载荷舱；

5—缓冲装置，51—弹簧，52—减震块；

6—充气系统，61—导气管，62—气瓶，63—减压阀，64—单向阀，65—分离器、651—分离舱、652—发热体。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种平流层浮空平台，包括载荷舱1和动力舱2。动力舱2为火箭助推器，连接于伞舱盖13外。

载荷舱1为整体件，包括底部的圆柱舱11和顶部的圆锥舱12，圆柱舱的两端均为开口，底端设有封闭开口的伞舱盖13和用于打开伞舱盖的弹盖器14，圆锥舱的开口端与圆柱舱直径相等，两舱之间设有隔板15用于放置电源3，为了提高飞行的稳定性，在圆柱舱底部外设一圈尾翼16。弹盖器14为电磁弹盖器，如图2、图3所示，它包括电源、电容、线圈、电感和电阻这几个电器元件。四个弹射器分布于伞舱盖顶面，关于伞舱盖呈环形阵列布置，通过控制开关接通电路，电流受到磁场的作用产生轴向的电磁力，即可将伞舱盖弹出。圆柱舱11内从下往上依次设置有减速系统3、浮空系统4、缓冲装置5和充气系统6，减速系统3直接放置于伞舱盖上，浮空系统4置于减速系统3上，如图4所示，缓冲装置5包括弹簧51和减震块52，减震块可采用聚苯乙烯泡沫塑料或聚乙烯泡沫塑料制作，弹簧上部的减震块连接于充气系统下，下部的减震块与浮空系统接触。充气系统6位于缓冲装置上与隔板相连。

如图5所示，减速系统3包括减速伞31和切割器32，切割器设置于减速伞下端伞绳33上。如图6所示，切割器32包括外套321、挂杆322和热熔丝323；外套的顶端设有挂环324以与伞绳相连，底端设有通孔；挂杆连接于外套内，挂杆上设有便于熔断的槽口325，热熔丝绕于槽口内，浮空系统4通过系绳41 系于挂杆下。

如图7所示，浮空系统4还包括浮空主体42、高度调节机构43和有效载荷舱44。浮空主体42为层压复合囊体，其囊壁自外向内依次为防老化层、中间胶层和阻氦层，以防止充入囊体内的氦气外漏。高度调节机构43包括超压空气囊体431、阀门432和空压机433，超压空气囊体置于浮空主体内，阀门的一端与超压空气囊体连通，另一端与空压机连通，空压机工作自阀门向超压空气囊体内充气，空压机停止工作、阀门开启将超压空气囊体内空气排出。高度调节机构将超压空气囊体置于浮空主体内，通过向超压空气囊体内充气或排气来调节高度。充气时，阀门打开，空压机做功将外界环境中的空气充入超压空气囊，质量变大，高度下降；放气时，阀门打开，超压空气囊中的空气在压强差的作用下可排出，质量变小，高度上升。有效载荷舱44通过系绳悬挂于浮空主体的最下方，有效载荷舱44内可根据需要搭载不同的有效载荷，例如任务光学设备、状态监测设备、通信设备和信息存储设备；其中任务光学设备可根据实际任务需要进行替换；如信息中继系统、GPS干扰设备、侦查系统等，可实施对目标区域的地形测绘、快速侦察、通讯中继、GPS干扰、打击效果评估、灾情探视等任务。状态监测设备为GPS，用于记录位置信息和状态信息，并储存于所述的信息存储设备中。通信设备由接受天线与通信雷达组成，用于与中继卫星进行实时数据交流，也可与其他终端设备进行数据交流。

如图5所示，充气系统6通过导气管61向浮空主体42内充气。除导气管61之外，充气系统6还包括气瓶62、减压阀63、单向阀64和分离器65，如图 8所示，分离器65包括分离舱651和发热体652；分离舱为两端封闭的圆柱型舱体，其两端端板原因位置处均设有通孔；发热体为圆筒，发热体同轴布置于分离舱内；将导气管自发热体内穿过。在初始时向气瓶内注满高压氦气，然后将减压阀的输入口与气瓶连通、输出口与单向阀的入口连通，单向阀的出口与浮空主体连通，并分离器设置于减压阀和单向阀之间。充气系统的作用是减速伞开伞稳定后至浮空平台下降到目标高度前的这段时间利用装满氦气的气瓶、导气管和减压阀对浮空主体进行充气。该过程中缓冲装置起到减速过程中缓冲减震作用。充气完成之后，控制切割器工作，实现减速伞与浮空主体的分离，通过控制分离器工作，实现充气系统与浮空器主体的分离。实现浮空系统在平流层部署，并能够通过高度调节机构调节浮空主体的高度，使浮空主体进入不同风向区域，实现由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源。

本实施例在使用时配合地面控制系统使用，地面控制系统包括遥测车、助推器测试发控装置、仪器舱测试装置和气象保障装置等。遥测车用于实时监测浮空平台的位置及运动状态，助推器测试发控装置用于浮空平台的发射升空，仪器舱测试装置和气象保障装置为浮空平台的顺利部署和任务执行提供保障。

具体使用时，地面控制系统发送点火指令，火箭助推器将整个平台安全、快速的运输至开伞点，采用火箭助推发射，可以减小地面天气和场地对于本平台释放的限制与影响，降低通过对流层时的风险，而且极大地减少部署了所需时间。在开伞点弹盖器工作将伞舱盖被弹开，实现动力舱与载荷舱的分离，载荷舱开始下降飞行，同时减速系统自载荷舱中拉出，减速伞开伞，使载荷舱减速，同时将浮空主体拉出，此时阀门打开，氦气自高压侧的气瓶内进入低压侧的浮空主体中，该过程中缓冲装置起到缓冲减震的作用，充气完成后，切割器工作，实现减速伞与浮空主体的分离，分离器工作，实现充气系统与浮空器主体的分离。实现浮空系统在平流层部署，由于中低纬度地区临近空间底部 20～30km高度范围存在上部和下部风向相反这一特殊的风场特性，可以通过高度调节机构调节浮空主体的高度，使浮空主体进入不同风向区域，实现由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源即可实现对浮空平台的定点与机动控制。

Claims (10)

1.一种平流层浮空平台，其特征在于：它包括载荷舱和可拆卸连接于载荷舱底部的动力舱；

载荷舱为顶端封闭、底端开口的中空舱体，其底端连接有封闭开口的伞舱盖和用于弹开伞舱盖的弹盖器，载荷舱内自底部向顶部依次设有减速系统、浮空系统、缓冲装置、充气系统和电源，浮空系统包括浮空主体和调节浮空主体高度的高度调节机构；

动力舱为火箭助推器，动力舱连接于伞舱盖外。

2.如权利要求1所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述减速系统包括减速伞和切割器，切割器设置于减速伞下端伞绳上，伞绳的底端与浮空系统相连。

3.如权利要求2所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述切割器包括外套、挂杆和热熔丝；外套的顶端设有挂环以与所述伞绳相连，底端设有用通孔；挂杆连接于外套内，挂杆上设有便于熔断的槽口，热熔丝绕于槽口内，所述浮空系统通过系绳系于挂杆下。

4.如权利要求1所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述高度调节机构包括超压空气囊体、阀门和空压机，超压空气囊体置于浮空主体内，阀门的一端与超压空气囊体连通，另一端与空压机连通，空压机工作自阀门向超压空气囊体内充气，空压机停止工作、阀门开启将超压空气囊体内空气排出。

5.如权利要求1所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述浮空主体为层压复合囊体，其囊壁自外向内依次为防老化层、中间胶层和阻氦层。

6.如权利要求1或5所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述浮空系统还包括有效载荷舱，有效载荷舱通过系绳悬挂于浮空主体的最下方。

7.如权利要求1所述的平流层浮空平台，其特征在于所述缓冲装置包括弹簧和分设于弹簧两端的减震块，上部的减震块连接于充气系统下；所述弹盖器为电磁弹盖器。

8.如权利要求1所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述充气系统包括气瓶、导气管和设置于导气管上的减压阀、单向阀和分离器，减压阀的输入口与气瓶连通、输出口与单向阀的入口连通，单向阀的出口与所述浮空主体连通，分离器设置于减压阀和单向阀之间。

9.如权利要求8所述的平流层浮空平台，其特征在于：所述分离器包括分离舱和发热体；分离舱为两端封闭的圆柱型舱体，其两端端板原因位置处均设有通孔；发热体为圆筒，发热体同轴布置于分离舱内；所述导气管自发热体内穿过。

10.一种平流层浮空平台的部署方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制动力舱工作，将平台运输至开伞点；

步骤二、控制弹盖器工作，弹开伞舱盖即可实现动力舱与载荷舱的分离；

步骤三、减速系统拉出工作，使载荷舱减速，平稳后控制气瓶打开，氦气自高压侧的气瓶内进入低压侧的浮空主体中；

步骤四、充气完成后，切割器工作，实现减速系统与浮空主体的分离，分离器工作，实现充气系统与浮空器主体的分离，使浮空系统单独悬浮在平流层；

步骤五、控制高度调节机构工作，调节高度，使浮空系统进入不同风向区域，由外界风牵引移动，无需提供巡航动力的能源即可实现对浮空平台的定点与机动控制；完成部署。

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