CN110646866A - 一种用于探空的大气参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探空的大气参数测量装置，包括锥顶、平衡杆、上螺旋桨、下螺旋桨、传动模块、增速模块、直流发电机、载物壳、惯性发电模块、无线携能通信模块、传感器载台、底座、气囊、低功耗传感器。通过本发明的技术方案，能够利用风能、微波、惯性、太阳能四种方式产生电能，保障所搭载低功耗传感器的供能，使测量装置昼夜均能产生电能，保证所携带低功耗传感器的工作状态，以便测量当前位置大气的温度、湿度、风速、压强、云水粒子形态参数；通过两个螺旋桨旋转提供的升力使测量装置浮空飞行，体型小巧，重量轻，方便搭载低功耗传感器进行大规模的探空大气参数测量实验，同时可以实现反向控制测量装置的浮空飞行状态。

Description

一种用于探空的大气参数测量装置

技术领域

本发明属于大气参数测量技术领域，尤其涉及一种具有自发电功能的用于探空的大气参数测量装置。

背景技术

一般定义，在距离地面20千米以下区域叫做航空空间；在距离地面100千米以上的区域叫做航天空间；而距离地面20-100千米的区域被成为临近空间，是航天空间与航空空间的过渡区域，是人类还未大规模开发的空白区域，具有非常重要的战略意义和利用价值。这个区域高于商用飞机的飞行空域，但低于轨道卫星。尽管部分飞机和卫星、飞船在技术上也能够到达临近空间，但要长期停留必须消耗大量燃料。

随着现代高新技术的快速发展，信息对抗空间不再局限于陆地、海洋、低空，临近空间也已经成为现代战争的一个新战场，是国家安全体系的一个重要环节。而临近空间作为连接空天战场的有效纽带，将在未来空天一体联合作战中扮演至关重要的角色，受到越来越多国家的高度重视。临近空间各项大气参数的测量依赖于传感器的部署，如何将大量的传感器节点部署在临近空间是当前亟待解决的问题。

在现有用于探空的大气参数测量装置中，供能通常采用携带锂电池以及太阳能电池板的办法，但这样会增加浮空器的重量，同时由于需要太阳能充电，使其也没法在夜间工作。此外，在现有用于探空的大气参数测量装置中，其工作空间及位置具有一定的局限性，不方便根据需求及时调整。再者，在现有用于探空的大气参数测量装置中，装置的成本通常较高，若要大规模测量大气参数，那么测量的代价也更高。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种用于探空的大气参数测量装置，通过两个螺旋桨旋转提供的升力使大气参数测量装置浮空飞行，体型小巧，重量轻，方便搭载低功耗传感器进行大规模探空大气参数测量实验，包括航天空间、临近空间、航空空间。

本发明的具体技术方案如下：一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，包括锥顶、平衡杆、上螺旋桨、下螺旋桨、传动模块、增速模块、直流发电机、载物壳、惯性发电模块、无线携能通信模块、传感器载台、底座、气囊，低功耗传感器，其中，

所述锥顶通过螺纹与所述平衡杆相连，所述平衡杆底部依次连接所述上螺旋桨和所述下螺旋桨，所述上螺旋桨和下螺旋桨均为仿竹蜻蜓结构，二者旋转方向相反；

所述传动模块包括上传动杆、下传动杆、滚珠轴承、圆锥齿轮，所述上传动杆套在所述下传动杆外部，所述上传动杆底部为齿轮盘，所述上螺旋桨与所述下传动杆连接，所述下螺旋桨与所述上传动杆连接，所述上传动杆和所述下传动杆旋转方向相反，所述滚珠轴承套在所述下传动杆底部，所述圆锥齿轮套在所述滚珠轴承上；

所述增速模块包括齿轮环、与所述齿轮环啮合的星型齿轮，所述圆锥齿轮能够与所述上传动杆底部的齿轮盘和所述齿轮环啮合将所述上传动杆和所述下传动杆的旋转力结合并传递给所述齿轮环，所述齿轮环带动所述星型齿轮转动，增加转速；

所述星型齿轮与所述直流发电机的转子固定连接，带动所述直流发电机的转子转动，切割磁感线产生电能；所述直流发电机的底部与所述载物壳的顶部通过螺钉固定；

所述载物壳为圆柱形空壳，所述载物壳外壁均匀设置四条轴向槽；

所述惯性发电模块、所述无线携能通信模块和所述传感器载台的外侧分别设置与所述载物壳的轴向槽相对应的螺纹孔，所述惯性发电模块、所述无线携能通信模块和所述传感器载台通过螺钉和所述载物壳的轴向槽活动安装在所述载物壳内部，呈层状排列；

所述惯性发电模块包括外部绕线圈的球形外壳、能够在所述球形外壳内自由运动的磁性实心球、底盘，测量装置在空中前、后、左、右飘动时，所述磁性实心球摆动，切割所述外部绕线圈的球形外壳的磁感线产生感应电动势；

所述无线携能通信模块用于收集空间中无线电磁波的能量，同时能够与终端进行无线通信；

所述传感器载台用于搭载所述低功耗传感器；所述低功耗传感器包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、大气压强传感器和云水粒子形态传感器；

所述底座通过螺钉与所述载物壳底部固定连接。

进一步地，所述直流发电机的输出端搭载功率可调的负载，通过调整所述负载的功率控制所述直流发电机的转速。

进一步地，所述底座上设置环状气囊。

进一步地，所述锥顶、所述上螺旋桨、所述下螺旋桨、所述传动模块、所述增速模块、所述载物壳和所述底座的表面均涂抹一层太阳能收集材料收集环境中的太阳能为所述低功耗传感器供电。

进一步地，所述无线携能通信模块收集能量的无线电磁波的频段包括6G频段、0.3GHz-3THz微波的频段。

进一步地，所述测量装置能够工作在航天空间或临近空间或航空空间。

本发明的有益效果在于：

1.利用风能、微波、惯性、太阳能四种方式发电，昼夜均能产生电能，保障低功耗传感器的供能；

2.本发明的用于探空的大气参数测量装置利用仿竹蜻蜓的结构，通过两个螺旋桨旋转提供的升力使测量装置浮空飞行，体型小巧，重量轻，方便搭载低功耗传感器进行大规模探空大气参数测量实验；

3.惯性发电装置、无线携能通信模块、传感器载台三部分可以通过载物壳外壁的轴向槽来调整其安装位置，从而改变整个测量装置的重心，使其浮空飞行更稳定；

4.除了发电，还可以实现反向控制。通过功率可调的负载，来控制直流发电机的转速，进而调整测量装置的浮空飞行状态；

5.本发明的测量装置能够工作在在航天空间或临近空间或航空空间。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的大气参数测量装置的总体结构图；

图2是图1的分解图；

图3是本发明的大气参数测量装置的滚珠轴承连接示意图；

图4是本发明的大气参数测量装置的增速装置结构图；

图5是本发明的大气参数测量装置的局部发大图；

图6是本发明的大气参数测量装置的惯性发电模块的剖面图。

附图标号说明：

1-锥顶；2-平衡杆；3-上螺旋桨；4-下螺旋桨；5-传动模块；51-上传动杆；52-下传动杆；53-滚珠轴承；54-圆锥齿轮；6-增速模块；61-齿轮环；62-星型齿轮；7-直流发电机；8-载物壳；9-惯性发电模块；91-球形外壳；92-实心球；93-底盘；10-无线携能通信模块；11-传感器载台；12-底座；13-气囊。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的总体结构如图1所示，仿竹蜻蜓结构，为一种具有自发电功能的用于探空的大气参数测量装置，可以搭载各类低功耗传感器并给低功耗传感器供电，使低功耗传感器可以工作在航天空间、临近空间、航空空间。

具体的，如图2所示，一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，包括锥顶1、平衡杆2、上螺旋桨3、下螺旋桨4、传动模块5、增速模块6、直流发电机7、载物壳8、惯性发电模块9、无线携能通信模块10、传感器载台11、底座12、气囊13和低功耗传感器(未示出)，其中，锥顶1通过螺纹与平衡杆2相连，平衡杆2底部依次连接上螺旋桨3和下螺旋桨4，上螺旋桨3和下螺旋桨4均为仿竹蜻蜓结构，二者旋转方向相反；当测量装置在空中浮空飞行时，平衡杆2通过自身旋转来平衡整个测量装置，使其处于正常的浮空飞行状态；在风力及重力的作用下，上螺旋桨3和下螺旋桨4旋转，为测量装置提供升力，两个螺旋桨反向旋转，在提供升力的同时可以抵消测量装置本身的自旋。

如图3-4所示，传动模块5包括上传动杆51、下传动杆52、滚珠轴承53、圆锥齿轮54，上传动杆51套在下传动杆52外部，上传动杆51底部为齿轮盘，上螺旋桨3与下传动杆52连接，下螺旋桨4与上传动杆51连接，上螺旋桨3通过下传动杆52传递旋转力，下螺旋桨4通过上传动杆51传递旋转力，上传动杆51和下传动杆52旋转方向相反，滚珠轴承53套在下传动杆52底部，圆锥齿轮54套在滚珠轴承53上，减小圆锥齿轮旋转的摩擦力；

增速模块6包括齿轮环61、与齿轮环61啮合的星型齿轮62，圆锥齿轮54能够与上传动杆51底部的齿轮盘和齿轮环61啮合将上传动杆51和下传动杆52的旋转力结合并传递给齿轮环61，齿轮环61带动星型齿轮62转动，增加转速；

星型齿轮62与直流发电机7的转子固定连接，带动直流发电机7的转子转动，切割磁感线产生电能；直流发电机7的底部与载物壳8的顶部通过螺钉固定；

如图5所示，载物壳8为圆柱形空壳，载物壳8外壁均匀设置四条轴向槽；惯性发电模块9、无线携能通信模块10和传感器载台11的外侧分别设置与载物壳8的轴向槽相对应的螺纹孔，惯性发电模块9、无线携能通信模块10和传感器载台11通过螺钉和载物壳8的轴向槽活动安装在载物壳内部，呈层状排列，惯性发电模块9、无线携能通信模块10和传感器载台11的安装位置能够灵活调节，从而改变测量装置的重心，使其浮空飞行更稳定。

如图6所示，惯性发电模块9包括外部绕线圈的球形外壳91、能够在球形外壳内自由运动的磁性实心球92、底盘93，测量装置漂浮在空中会上下左右摆动时，磁性实心球92转动，切割外部绕线圈的球形外壳91的磁感线产生感应电动势，惯性发电模块9将测量装置的摆动转化为电能。

无线携能通信模块10用于收集空间中无线电磁波的能量，同时能够与终端进行无线通信；

传感器载台11用于搭载低功耗传感器(未示出)；低功耗传感器(未示出)包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、大气压强传感器和云水粒子形态传感器；底座12通过螺钉与载物壳8底部固定连接。

在一些实施方式中，直流发电机7的输出端搭载功率可调的负载，通过调整负载的功率控制直流发电机7的转速，进而调整测量装置的浮空飞行状态，能够实现反向控制。

在一些实施方式中，底座12上设置环状气囊13，气囊13能够释放彩色烟雾以方便回收测量装置，同时在测量装置落水时提供浮力，保证其不沉入水中。

在一些实施方式中，锥顶1、上螺旋桨3、下螺旋桨4、传动模块5、增速模块6、载物壳8和底座12的表面均涂抹一层太阳能收集材料收集环境中的太阳能为低功耗传感器(未示出)供电。

在一些实施方式中，无线携能通信模块10收集能量的无线电磁波的频段包括6G频段、0.3GHz-3THz微波的频段。

测量装置能够工作在航天空间或临近空间或航空空间。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，包括锥顶(1)、平衡杆(2)、上螺旋桨(3)、下螺旋桨(4)、传动模块(5)、增速模块(6)、直流发电机(7)、载物壳(8)、惯性发电模块(9)、无线携能通信模块(10)、传感器载台(11)、底座(12)、气囊(13)，低功耗传感器，其中，

所述锥顶(1)通过螺纹与所述平衡杆(2)相连，所述平衡杆(2)底部依次连接所述上螺旋桨(3)和所述下螺旋桨(4)，所述上螺旋桨(3)和所述下螺旋桨(4)均为仿竹蜻蜓结构，二者旋转方向相反；

所述传动模块(5)包括上传动杆(51)、下传动杆(52)、滚珠轴承(53)、圆锥齿轮(54)，所述上传动杆(51)套在所述下传动杆(52)外部，所述上传动杆(51)底部为齿轮盘，所述上螺旋桨(3)与所述下传动杆(52)连接，所述下螺旋桨(4)与所述上传动杆(51)连接，所述上传动杆(51)和所述下传动杆(52)旋转方向相反，所述滚珠轴承(53)套在所述下传动杆(52)底部，所述圆锥齿轮(54)套在所述滚珠轴承(53)上；

所述增速模块(6)包括齿轮环(61)、与所述齿轮环(61)啮合的星型齿轮(62)，所述圆锥齿轮(54)能够与所述上传动杆(51)底部的齿轮盘和所述齿轮环(61)啮合将所述上传动杆(51)和所述下传动杆(52)的旋转力结合并传递给所述齿轮环(61)，所述齿轮环(61)带动所述星型齿轮(62)转动，增加转速；

所述星型齿轮(62)与所述直流发电机(7)的转子固定连接，带动所述直流发电机(7)的转子转动，切割磁感线产生电能；所述直流发电机(7)的底部与所述载物壳(8)的顶部通过螺钉固定；

所述载物壳(8)为圆柱形空壳，所述载物壳(8)外壁均匀设置四条轴向槽；

所述惯性发电模块(9)、所述无线携能通信模块(10)和所述传感器载台(11)的外侧分别设置与所述载物壳(8)的轴向槽相对应的螺纹孔，所述惯性发电模块(9)、所述无线携能通信模块(10)和所述传感器载台(11)通过螺钉和所述载物壳(8)的轴向槽活动安装在所述载物壳内部，呈层状排列；

所述惯性发电模块(9)包括外部绕线圈的球形外壳(91)、能够在所述球形外壳内自由运动的磁性实心球(92)、底盘(93)，测量装置摆动时，所述磁性实心球(92)转动，切割所述外部绕线圈的球形外壳(91)的磁感线产生感应电动势；

所述无线携能通信模块(10)用于收集空间中无线电磁波的能量，同时能够与终端进行无线通信；

所述传感器载台(11)用于搭载所述低功耗传感器；所述低功耗传感器包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、大气压强传感器和云水粒子形态传感器；

所述底座(12)通过螺钉与所述载物壳(8)底部固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，所述直流发电机(7)的输出端搭载功率可调的负载，通过调整所述负载的功率控制所述直流发电机(7)的转速。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，所述底座(12)上设置环状气囊(13)。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，所述锥顶(1)、所述上螺旋桨(3)、所述下螺旋桨(4)、所述传动模块(5)、所述增速模块(6)、所述载物壳(8)和所述底座(12)的表面均涂抹一层太阳能收集材料收集环境中的太阳能为所述低功耗传感器供电。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，所述无线携能通信模块(10)收集能量的无线电磁波的频段包括6G频段、0.3GHz-3THz微波的频段。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种用于探空的大气参数测量装置，其特征在于，所述测量装置能够工作在航天空间或临近空间或航空空间。

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