CN111003134B - 一种抗风性浮空气球 - Google Patents

Abstract

一种抗风性浮空气球，包括一个充气气球(1)、五根系留绳(2～6)、五个固定装置；所述充气气球(1)与五根系留绳(2～6)连接；所述五根系留绳(2～6)与五个固定装置一一对应连接；所述五根系留绳(2～6)包括四根侧向系留绳(3～6)和一根中心系留绳(2)；所述四根侧向系留绳(3～6)形成一个矩形包络，中心系留绳(2)位于矩形包络的中心；所述中心系留绳(2)自然状态下处于松弛状态，仅用于收放充气气球(1)；所述四根侧向系留绳(3～6)自然状态下处于拉直状态，用于保持充气气球(1)的稳定性。本发明提出的浮空气球多点系留技术方案可以显著增强浮空气球系统的抗风性能，保证其在一定风速条件下的系统稳定性。

Description

一种抗风性浮空气球

技术领域

本发明涉及一种抗风性浮空气球。

背景技术

浮空气球系统主要由柔性气球、系留装置和充气设备等组成。传统浮空气球采用单点系留方式并悬浮于空中，但是受外界环境的作用会产生随风摆动，严重影响气球的稳定性。为了保持气球能在一定风力的作用下不产生随意摆动，提高其抗风性能，需要对浮空气球系统的系留方案进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种抗风性浮空气球，给出了一种多点系留方式，以此来增强浮空气球系统的稳定性。同时根据浮空气球系留方案建立力学模型，根据当地不同风速条件提出了适用于浮空气球系统多点系留方案的数值分析方法，该方法通过受力分析将三维空间共点力系转化为二维平面共点力系，采用数学方法求解方程，带入相应的已知条件可以得到最终的浮空气球系统系留点跨度。该发明的提出可以有效解决浮空气球随风摆动的问题，同时为设计人员提供一种快速的系留设计方案，为其提供有理可依的参考依据。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种抗风性浮空气球，包括一个充气气球、五根系留绳、五个固定装置；

所述充气气球与五根系留绳连接；所述五根系留绳与五个固定装置一一对应连接；所述五根系留绳包括四根侧向系留绳和一根中心系留绳；所述四根侧向系留绳形成一个矩形包络，中心系留绳位于矩形包络的中心；所述中心系留绳自然状态下处于松弛状态，仅用于收放充气气球；所述四根侧向系留绳自然状态下处于拉直状态，用于保持充气气球的稳定性。

优选的，所述五个固定装置固定在地面。

优选的，所述五个固定装置选用五个镇铁。

优选的，所述充气气球内充氦气。

优选的，矩形包络的两边长度的确定方法包括如下步骤：

S1、建立浮空气球系统力学建模；

S2、计算充气气球的净浮力F_f；

S3、计算风阻力F_w；

S4、根据浮空气球系统力学模型、净浮力F_f、风阻力F_w；确定矩形包络的两边长度。

优选的，所述净浮力F_f为：

F_f＝m_fg

其中，m_f为浮空气球净质量，g为重力加速度。

优选的，所述风阻力F_w为：

其中，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积，ρ为空气密度；v_w为当地风速。

优选的，矩形包络的两边长度分别为L₁和L₂；

其中

式中，κ为风速影响系数，v_w东西为东西方向风速，v_w南北为南北方向风速，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积，ρ为空气密度；H为浮空气球距地面的垂直高度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明提出的浮空气球多点系留技术可以显著增强浮空气球系统的抗风性能，保证其在一定风速条件下的系统稳定性；

(2)浮空气球可以快速施放，操作过程简单便捷，既保证了浮空气球系统的稳定性，又可提高施放工作效率；

(3)本发明提出的数值分析方法可以根据不同风速条件确定多点系留方案的布局结构，从理论角度明确具体的系留点跨度参数；

(4)本发明通过多批次不同风速条件下的地面试验验证，其浮空气球系统的稳定性效果非常显著，表明该发明完全满足设计要求。

附图说明

图1为浮空气球系统三维布局图；

图2为浮空气球多点系留方案示意图

图3为浮空气球平面力系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种抗风性浮空气球，包括一个充气气球1、五根系留绳2～6、五个固定装置；

所述充气气球1与五根系留绳2～6连接；所述五根系留绳2～6与五个固定装置一一对应连接；所述五根系留绳2～6包括四根侧向系留绳3～6和一根中心系留绳2；所述四根侧向系留绳3～6形成一个矩形包络，中心系留绳2位于矩形包络的中心；所述中心系留绳2自然状态下处于松弛状态，仅用于收放充气气球1；所述四根侧向系留绳3～6自然状态下处于拉直状态，用于保持充气气球1的稳定性。

所述五个固定装置固定在地面；所述五个固定装置选用五个镇铁7～11。所述充气气球1内充氦气。

矩形包络的两边长度的确定方法包括如下步骤：

S1、建立浮空气球系统力学建模；

S2、计算充气气球1的净浮力F_f；

S3、计算风阻力F_w；

S4、根据浮空气球系统力学模型、净浮力F_f、风阻力F_w；确定矩形包络的两边长度。

所述净浮力F_f为：

F_f＝m_fg

其中，m_f为浮空气球净质量，g为重力加速度。

所述风阻力F_w为：

其中，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积，ρ为空气密度；v_w为当地风速。

矩形包络的两边长度分别为L₁和L₂；

其中

式中，κ为风速影响系数，v_w东西为东西方向风速，v_w南北为南北方向风速，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积，ρ为空气密度；H为浮空气球距地面的垂直高度。

实施例2：

一种抗风性浮空气球，如图1所示，包括充气气球(1)、五根系留绳(2～6)和五个放置于地面的镇铁(7～11)。系留绳(2～6)连接在浮空气球(1)的辅助拉绳上，中心系留绳(2)通过挂钩与镇铁(7)上的系留孔连接，中心系留绳(2)处于松弛状态，只起收放气球作用，侧向系留绳(3)通过挂钩与镇铁(8)上的系留孔连接，侧向系留绳(4)通过挂钩与镇铁(9)上的系留孔连接，侧向系留绳(5)通过挂钩与镇铁(10)上的系留孔连接，侧向系留绳(6)通过挂钩与镇铁(11)上的系留孔连接，侧向系留绳处于拉直状态，保持气球(1)的稳定性。根据以上浮空气球系统系留方案建立力学模型，以当地环境风速作为已知条件，通过数学方法对模型进行计算求解，得到不同风速条件下系留方案的布局结构，以此来检验浮空气球的抗风性能。

具体的：

1、浮空气球多点系留技术方案如下：

采用如图2所示的多点系留方案，其中O点代表气球的中心点，4根侧向系留绳分别为OA、OB、OC和OD，O′表示气球中心系留点，A、B、C和D分别表示侧向系留绳的地面系留点，每个系留点下方用镇铁配重。

在无风的情况下，4根侧向系留绳OA、OB、OC和OD主要承受风载荷对浮空气球产生的侧向力；有风的情况下，迎风面的两根系留绳和中心系留绳呈拉伸状态，产生拉力以平衡风载荷产生的侧向力。

2、系留方案数值分析方法

2.1、力学建模分析

根据如图2所示的浮空气球系留方案，通过理论分析可知，整个系留系统可按空间共点力系进行计算。对浮空气球系统进行力学建模，将系留绳上的作用力进行合成，转换三维空间共点力系为二维平面共点力系，其受力情况如图3所示。

当系统达到平衡状态，x方向合力和y方向合力都为零，则有：

式中，F₁为侧向系留绳OB、OC的合力，F₂为侧向系留绳OA、OD的合力，F_w为风载荷产生的侧向力，F_f为红宫灯净浮力，θ为侧向系留绳的合力与竖直方向的夹角。

此外，规定风向沿AB为东西方向，沿BC为南北方向。公式(1)对于来自东西或者南北方向的风载荷都适用。

2.2、净浮力F_f计算

浮空气球内部充氦气，由于氦气的密度小于空气，气球可以在空中飘浮，其自身受力情况为：

F_f＝m_fg (2)

式中，m_f为浮空气球净质量。

2.3、风阻力F_w计算

风阻力与浮空气球的阻力面积、风速和当地空气密度有关，即：

式中，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积。

2.4、浮空气球系留点跨度计算

为保证浮空气球整体的观赏性，在有风情况下，气球不能大幅度摆动。通过建立力学模型，对浮空气球进行受力分析后，根据不同风速条件下对气球的系留点跨度进行计算。

根据充气气球实际的系留方式和来流风向，可以推断出：

1)侧向系留绳为主受力绳，中心系留绳只做收放气球用，不受力；

2)只有两根侧向系留绳呈拉伸状态，其他两个处于松弛，因此有F₂＝0。

将F₂＝0带入公式(1)以后，得到：

F_w＝F_f×tanθ (4)

通过对公式(4)进行分析可以看出，风阻力与净浮力呈正比例关系，可以将风阻力和净浮力作为已知条件来最终确定系留点跨度与中心系留绳之间的比例关系。因此可将公式(4)作为求解浮空气球系留点跨度的临界条件。

当风从东西方向上，即垂直于BC进入时：

式中，κ为风速影响系数，其值为

通过公式(5)可以看出，系留点跨度是与风速的平方呈正比例关系，可以根据风速调整系留点跨度，保证浮空气球的稳定性。

以此类推同样，当风从南北方向上，即垂直于AB进入时，可以得到南北方向上系留点跨度为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种抗风性浮空气球，其特征在于，包括一个充气气球(1)、五根系留绳(2～6)、五个固定装置；

所述充气气球(1)与五根系留绳(2～6)连接；所述五根系留绳(2～6)与五个固定装置一一对应连接；所述五根系留绳(2～6)包括四根侧向系留绳(3～6)和一根中心系留绳(2)；所述四根侧向系留绳(3～6)形成一个矩形包络，中心系留绳(2)位于矩形包络的中心；所述中心系留绳(2)自然状态下处于松弛状态，仅用于收放充气气球(1)；所述四根侧向系留绳(3～6)自然状态下处于拉直状态，用于保持充气气球(1)的稳定性；

所述五个固定装置选用五个镇铁(7～11)；

矩形包络的两边长度的确定方法包括如下步骤：

S1、建立浮空气球系统力学建模；

S2、计算充气气球(1)的净浮力F_f；

S3、计算风阻力F_w；

S4、根据浮空气球系统力学模型、净浮力F_f、风阻力F_w；确定矩形包络的两边长度；

矩形包络的两边长度分别为L₁和L₂；

其中

式中，κ为风速影响系数，v_w东西为东西方向风速，v_w南北为南北方向风速，C_D为阻力系数，S为浮空气球的阻力面积，ρ为空气密度；H为浮空气球距地面的垂直高度；

所述净浮力F_f为：

F_f＝m_fg

其中，m_f为浮空气球净质量，g为重力加速；

所述风阻力F_w为：

其中，v_w为当地风速。

2.根据权利要求1所述的一种抗风性浮空气球，其特征在于，所述五个固定装置固定在地面。

3.根据权利要求1所述的一种抗风性浮空气球，其特征在于，所述充气气球(1)内充氦气。

Images