CN111114737B - 混合升力高空系留系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高空飞行系统技术领域，公开了一种混合升力高空系留系统，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；所述浮空器通过所述系缆连接于所述系缆收放装置，所述升力翼可转动地连接于所述系缆，所述升力翼的转轴同时垂直于所述升力翼的翼弦和所述系缆的轴线。该混合升力高空系留系统综合利用浮空器的浮力和升力翼的升力，通过调整升力翼的攻角来调节升力，减小系缆最大张力，能够灵活适应不同风场，提高系统的可靠性和寿命。

Description

混合升力高空系留系统

技术领域

本发明涉及高空飞行系统技术领域，尤其涉及一种混合升力高空系留系统。

背景技术

高空浮空器是一种利用气囊内所充的浮升气体获得浮力并克服自身重量的浮空器，其任务高度处于距离地球表面18km～50km，能长期执行驻留任务。通常的高空浮空器包括飞艇和高空气球。系留浮空器是浮空器的一种，它依靠系绳拴系到地面绞车上，并通过地面绞车收放缆绳，实施气球的升空和降落。系留浮空器具有驻空时间长、长期使用成本低、覆盖面积大和机动性强等特点，在科学试验、广播通信以及军事预警等领域发挥着重要作用，越来越受到国内外的重视。

平流层是高空浮空器的理想工作空间，首先平流层的水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，光线比较好，能见度很高，适于进行科学试验和广播通信；再有平流层的气流稳定，大气不对流，以平流运动为主，浮空器在其中受力比较稳定，可以实现长时间驻留。高空系留浮空器需要升高至平流层，通常需要离地15km～25km，因此系缆的长度很长，合风阻很大，且系缆一般处于对流层，对流层存在一个风速极大的急风区，会把系缆吹斜，为了保证浮空器的高度不变，通常会释放一定量的系缆，但是这又进一步增加了系缆承受的阻力，导致系缆的倾斜程度更大；而一旦系缆释放不及时，浮空器脱离平流层进入对流层以后，由于浮空器体积庞大，受力面积大，最终导致整个浮空器系统的倾斜程度越来越大，而且如果风力持续，即使再释放系缆也无法将浮空器发放至平流层。

发明内容

本发明实施例提供一种混合升力高空系留系统，用以解决现有的高空浮空器系统无法承受较大风场变化的问题。

本发明实施例提供一种混合升力高空系留系统，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；所述浮空器通过所述系缆连接于所述系缆收放装置，所述升力翼可转动地连接于所述系缆，所述升力翼的转轴同时垂直于所述升力翼的翼弦和所述系缆的轴线。

其中，还包括连接于所述系缆的转动驱动机构，所述转动驱动机构的转动输出端与所述升力翼动力耦合连接，以改变所述升力翼的攻角。

其中，所述升力翼与所述浮空器之间的系缆上设有第一拉力传感器，所述升力翼与所述系缆收放装置之间的系缆上设有第二拉力传感器，所述第一拉力传感器和所述第二拉力传感器均电连接于所述转动驱动机构。

其中，所述升力翼上安装有风速计和姿态传感器，所述风速计和所述姿态传感器均电连接于所述转动驱动机构。

其中，所述转动驱动机构包括刚性杆和电动推杆，所述刚性杆串联接入所述系缆，所述升力翼的转轴转动连接于所述刚性杆；所述电动推杆的壳体铰接于所述刚性杆，所述电动推杆的输出轴铰接于所述升力翼的机身。

其中，还包括保护缆，所述保护缆的一端连接于所述刚性杆与所述浮空器之间的系缆，所述保护缆的另一端连接于所述刚性杆与所述系缆收放装置之间的系缆。

其中，所述升力翼包括机身和分设于所述机身的两侧的机翼，所述机身安装有伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构与所述机翼驱动连接，以调节所述机翼的伸展长度。

其中，所述机翼包括主机翼和至少一个子机翼，所述主机翼的一端固接于所述机身，所述主机翼的另一端套接于所述子机翼，且所述伸缩驱动机构与所述子机翼驱动连接，以驱动所述子机翼伸出所述主机翼外或者收缩至所述主机翼内。

其中，所述伸缩驱动机构包括第一牵引绳、第二牵引绳以及安装于所述主机翼的第一滑轮和驱动线轮；所述第一牵引绳的一端卷绕于所述驱动线轮，所述第一牵引绳的另一端绕过所述第一滑轮后连接于所述子机翼；所述第二牵引绳的一端卷绕于所述驱动线轮，所述第二牵引绳的另一端连接于所述子机翼。

其中，所述升力翼的表面铺设有太阳能电池。

本发明实施例提供的混合升力高空系留系统，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；浮空器通过系缆连接于系缆收放装置，升力翼可转动地连接于系缆，浮空器借助浮力飘浮在高层小风速区域，系缆中间串联的升力翼则工作在中间较大风区，通过转动升力翼，可以改变升力翼的攻角，进而改变升力翼提供的升力，进而减小浮空器水平飘移距离，维持浮空器驻空高度并减小放缆长度，使系缆的拉力工作在合理工作区间。该混合升力高空系留系统综合利用浮空器的浮力和升力翼的升力，通过调整升力翼的攻角来调节升力，减小系缆最大张力，能够灵活适应不同风场，提高系统的可靠性和寿命。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种混合升力高空系留系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的升力翼在风力较小时的状态示意图；

图3是本发明实施例中的升力翼在风力较大时的状态示意图；

图4是本发明实施例中的机翼处于收缩状态时的示意图；

图5是本发明实施例中的机翼处于伸展状态时的示意图；

图6是本发明实施例中的一种伸缩机构的结构示意图；

附图标记说明：

1、浮空器； 2、升力翼； 21、机身；

22、转轴； 23、主机翼； 24、子机翼；

24-1、第一子机翼； 24-2、第二子机翼； 25、伸缩驱动机构；

251、第一牵引绳； 252、第二牵引绳； 253、第一滑轮；

254、驱动线轮； 255、第三牵引绳； 256、第四牵引绳；

257、第二滑轮； 258、第三滑轮； 26、电动推杆；

3、系缆收放装置； 4、系缆； 5、刚性杆；

6、第一拉力传感器； 7、第二拉力传感器； 8、保护缆；

9、第三拉力传感器； 10、吊舱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。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实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种混合升力高空系留系统，包括浮空器1、升力翼2、系缆4以及固定于地面的系缆收放装置3。浮空器1通过系缆4连接于系缆收放装置3，升力翼2可转动地连接于系缆4，升力翼2的转轴同时垂直于升力翼2的翼弦和系缆4的轴线。

具体地，浮空器1的软式气囊内部可以填充氦气或氢气等浮升气体，借助浮力飘浮于高层小风速区域(可以为平流层区域)。浮空器1的下部可以携带载荷，例如浮空器1的下端悬挂连接有吊舱10，吊舱10内安装有工作载荷、GPS定位设备、数据传输设备和太阳能能源循环系统。工作载荷和数据传输设备包括但不限于预警雷达、通信装备、红外摄像机及电子通信等不同类型的监视探测装备。太阳能能源循环系统尽量布置在负载设备附近，就近转换供电。

系缆4是为了约束浮空器1停留在期望的高度，系缆4可以根据使用需要采用不同种类的缆绳，主要包括四类系留缆绳：纯缆绳、系留电缆、系留光缆和系留光电复合缆绳。其中，纯缆绳中一般只有抗拉件和护套，不含光单元或电单元。系留电缆中仅含有电力导线，电力导线用于从地面设施向浮空器上的设备提供电力。系留光缆中仅含有光(纤)单元而不含电力导线，浮空器上的设备依靠太阳能能源循环系统进行电力供应，光单元负责浮空器上的设备与地面设备之间的光信号传输。系留光电复合缆绳中同时包含光单元和电力导线单元，电力导线为浮空器上的设备供电，光单元负责传输浮空器上的设备与地面设备之间的光信号。

系缆4的一端连接于浮空器1，系缆4的另一端卷绕于系缆收放装置3，例如绞盘，可通过旋转绞盘来施放或回收系缆4，进而控制浮空器1的上升与下降。通过系缆收放装置3收放系缆4，来调节升力翼2和浮空器1的工作高度。通过改变升力翼2所处的高度，也可以调节升力翼2的升力。

升力翼2采用可以产生升力的弧形翼结构。如图2所示，当风力较小时，升力翼2的攻角可以为零升力角，此时升力翼2不产生升力；当风力较大时，可以转动升力翼2，增大升力翼2的攻角，提高升力翼2的升力，竖直向上的升力可以抵消一部分风场对系缆4的阻力，同时还可以对系缆4产生一定的拉力，进而减少系缆4自身产生的拉力，维持其拉力始终在正常的工作范围以内，以防系缆4发生断裂。此处的攻角指的是升力翼2的翼弦线和气流速度的夹角，也称为迎角，它是确定升力翼2在气流中姿态的基准。升力翼2的升力系数和阻力系数都是攻角的函数。当升力翼2以最大升阻比对应的状态运动时，其气动效率最高，此时所对应的攻角一般称为有利攻角，从零升力角到有利攻角，升力增加较快，阻力增加缓慢，因此升阻比增大。

本实施例提供的一种混合升力高空系留系统，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；浮空器通过系缆连接于系缆收放装置，升力翼可转动地连接于系缆，浮空器借助浮力飘浮在高层小风速区域，系缆中间串联的升力翼则工作在中间较大风区，通过转动升力翼，可以改变升力翼的攻角，进而改变升力翼提供的升力，进而减小浮空器水平飘移距离，维持浮空器驻空高度并减小放缆长度，使系缆的拉力工作在合理工作区间。该混合升力高空系留系统综合利用浮空器的浮力和升力翼的升力，通过调整升力翼的攻角来调节升力，减小系缆最大张力，能够灵活适应不同风场，提高系统的可靠性和寿命。

进一步地，还包括连接于系缆4的转动驱动机构，转动驱动机构的转动输出端与升力翼2动力耦合连接，以改变升力翼2的攻角。此处的连接包括可拆卸连接，例如转动驱动机构采用夹具夹持于系缆4，待浮空器1释放到预设高度以后，可直接将系缆4通过侧面进线卡紧的方式与转动驱动机构连接在一起。或者可以预先在系缆4上预留连接环，通过卸扣直接将转动驱动机构的两端卡接于系缆4。转动驱动机构可以采用电机输出转动，进而带动升力翼2的转轴22转动。转动驱动机构还可以采用电动推杆26输出直线运动，电动推杆26的一端连接于系缆4，电动推杆26的另一端铰接于升力翼2的机身，通过电动推杆26推动升力翼2绕转轴22转动。

更进一步地，升力翼2与浮空器1之间的系缆4上设有第一拉力传感器6，升力翼2与系缆收放装置3之间的系缆4上设有第二拉力传感器7，第一拉力传感器6和第二拉力传感器7均电连接于转动驱动机构的控制系统。具体地，转动驱动机构还包括用于控制输出转角(针对旋转驱动机构)或者输出长度(针对电动推杆26)的控制系统，当采用旋转驱动机构时，例如步进电机、伺服电机或者舵机等直接输出转动的旋转驱动机构，旋转驱动机构的输出转轴与升力翼2的转轴22转动耦合，通过控制旋转驱动机构输出的转角，可以改变升力翼2的攻角；当采用电动推杆26时，电动推杆26的一端连接于系缆4，电动推杆26的另一端铰接于升力翼2的机身，通过电动推杆26推动升力翼2绕转轴22转动。

控制系统内预存有第一拉力预设范围和第二拉力预设范围，当第一拉力传感器6检测的拉力值在第一拉力预设范围内，且第二拉力传感器7检测的拉力值在第二拉力预设范围内时，转动驱动机构保持当前的输出转角或输出长度；当第一拉力传感器6检测的拉力值超出第一拉力预设范围，和/或第二拉力传感器7检测的拉力值超出第二拉力预设范围时，转动驱动机构增大输出转角或输出长度，直至第一拉力传感器6检测的拉力值回到第一拉力预设范围内，且第二拉力传感器7检测的拉力值也回到在第二拉力预设范围内。第一拉力传感器6和第二拉力传感器7的测量值之差即为升力翼2产生的升力值。

更进一步地，升力翼2上安装有风速计和姿态传感器(图中均未示出)，风速计和姿态传感器均电连接于转动驱动机构。具体地，风速计可以采用超声波风速仪、热线风速计、数字风速仪等等，可以测量风速和风向。姿态传感器用于检测升力翼2当前的姿态参数，进而通过与风向对比，获取升力翼2当前的攻角。更具体地，转动驱动机构的控制系统内还可以预存有通过仿真模拟计算得出的攻角与风速的调节关系曲线或者数据表，即通过风速可以首先计算出一个理论计算攻角，然后驱动升力翼2调整至理论计算攻角，此为粗调；接着再根据第一拉力传感器6和第二拉力传感器7的测量值，以及浮空器实际水平飘移距离与预设范围之间的关系，进一步调整升力翼2的攻角，此为精调。通过这种调节方式，可以加快攻角的调节响应速度。

更进一步地，连接于吊舱10的下方的系缆4上还可以设置第三拉力传感器9，因而实现对该处的拉力值监控，防止出现断缆事故。

进一步地，如图2和图3所示，转动驱动机构包括刚性杆5和电动推杆26，刚性杆5串联接入系缆4，升力翼2的转轴22转动连接于刚性杆5；电动推杆26的壳体铰接于刚性杆5，电动推杆26的输出轴铰接于升力翼2的机身21，转轴22穿设于机身21，电动推杆26的输出轴与机身21铰接的位置位于转轴22靠近机身21的尾部的一侧，通过伸长电动推杆26的输出轴，可以将机身21的头部抬起，进而增加升力翼2的攻角。通过设置刚性杆5可以保证升力翼2与系缆4之间的相对稳定性，转动也更加平稳。

进一步地，如图2和图3所示，还包括保护缆8，保护缆8的一端连接于刚性杆5与浮空器1之间的系缆4，保护缆8的另一端连接于刚性杆5与系缆收放装置3之间的系缆4。通过设置保护缆8作为应急保护手段，避免了刚性杆5的端部脱离而导致浮空器1失控的危险，提高了发放过程的安全性和可靠性。

进一步地，如图4和图5所示，升力翼2包括机身21和分设于机身21的两侧的机翼，机身21安装有伸缩驱动机构25，伸缩驱动机构25与机翼驱动连接，以调节机翼的伸展长度。

更进一步地，机翼包括主机翼23和至少一个子机翼24，主机翼23的一端固接于机身21，主机翼23的另一端套接于子机翼24，且伸缩驱动机构25与子机翼24驱动连接，以驱动子机翼24伸出主机翼23外或者收缩至主机翼23内。伸缩驱动机构25可以采用电动伸缩推杆，或者丝杠推杆等等。

更进一步地，如图6所示，伸缩驱动机构25可以采用滑轮组件，包括第一牵引绳251、第二牵引绳252以及安装于主机翼23的第一滑轮253和驱动线轮254。第一牵引绳251的一端卷绕于驱动线轮254，第一牵引绳251的另一端绕过第一滑轮253后连接于第一子机翼24-1；第二牵引绳252的一端卷绕于驱动线轮254，第二牵引绳252的另一端连接于第一子机翼24-1。当驱动线轮254逆时针转动时，第一牵引绳251缩短，通过第一滑轮253拽动第一子机翼24-1伸出。当驱动线轮254顺时针转动时，第二牵引绳252缩短，直接拉动第一子机翼24-1缩回。

当包括多个子机翼24时，则在相邻的子机翼24之间再增设滑轮和牵引绳，本实施例以两个子机翼24为例进行说明。还包括第三牵引绳255、第四牵引绳256以及安装于第一子机翼24-1的第二滑轮257和第三滑轮258，第三牵引绳255的一端连接于主机翼23，第三牵引绳255的另一端绕过第二滑轮257后连接于第二子机翼24-2；第四牵引绳256的一端连接于主机翼23，第四牵引绳256的另一端连接于第二子机翼24-2。当子机翼24的数量大于2个时，增设的滑轮和牵引绳可以参考第一子机翼24-1与第二子机翼24-2之间的设置，此处不再赘述。

进一步地，升力翼2的表面铺设有太阳能电池，可以为升力翼2上传感器、执行器和数据传输设备提供电能。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的混合升力高空系留系统，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；浮空器通过系缆连接于系缆收放装置，升力翼可转动地连接于系缆，浮空器借助浮力飘浮在高层小风速区域，系缆中间串联的升力翼则工作在中间较大风区，通过转动升力翼，可以改变升力翼的攻角，进而改变升力翼提供的升力，进而减小浮空器水平飘移距离，维持浮空器驻空高度并减小放缆长度，使系缆的拉力工作在合理工作区间。该混合升力高空系留系统综合利用浮空器的浮力和升力翼的升力，通过调整升力翼的攻角来调节升力，减小系缆最大张力，能够灵活适应不同风场，提高系统的可靠性和寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种混合升力高空系留系统，其特征在于，包括浮空器、升力翼、系缆以及固定于地面的系缆收放装置；所述浮空器通过所述系缆连接于所述系缆收放装置，所述升力翼可转动地连接于所述系缆，所述升力翼的转轴同时垂直于所述升力翼的翼弦和所述系缆的轴线；

所述的混合升力高空系留系统还包括连接于所述系缆的转动驱动机构，所述升力翼与所述浮空器之间的系缆上设有第一拉力传感器，所述升力翼与所述系缆收放装置之间的系缆上设有第二拉力传感器，所述第一拉力传感器和所述第二拉力传感器均电连接于所述转动驱动机构；

所述转动驱动机构的转动输出端与所述升力翼动力耦合连接，以改变所述升力翼的攻角。

2.根据权利要求1所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述升力翼上安装有风速计和姿态传感器，所述风速计和所述姿态传感器均电连接于所述转动驱动机构。

3.根据权利要求1所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述转动驱动机构包括刚性杆和电动推杆，所述刚性杆串联接入所述系缆，所述升力翼的转轴转动连接于所述刚性杆；所述电动推杆的壳体铰接于所述刚性杆，所述电动推杆的输出轴铰接于所述升力翼的机身。

4.根据权利要求3所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，还包括保护缆，所述保护缆的一端连接于所述刚性杆与所述浮空器之间的系缆，所述保护缆的另一端连接于所述刚性杆与所述系缆收放装置之间的系缆。

5.根据权利要求1所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述升力翼包括机身和分设于所述机身的两侧的机翼，所述机身安装有伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构与所述机翼驱动连接，以调节所述机翼的伸展长度。

6.根据权利要求5所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述机翼包括主机翼和至少一个子机翼，所述主机翼的一端固接于所述机身，所述主机翼的另一端套接于所述子机翼，且所述伸缩驱动机构与所述子机翼驱动连接，以驱动所述子机翼伸出所述主机翼外或者收缩至所述主机翼内。

7.根据权利要求6所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述伸缩驱动机构包括第一牵引绳、第二牵引绳以及安装于所述主机翼的第一滑轮和驱动线轮；所述第一牵引绳的一端卷绕于所述驱动线轮，所述第一牵引绳的另一端绕过所述第一滑轮后连接于所述子机翼；所述第二牵引绳的一端卷绕于所述驱动线轮，所述第二牵引绳的另一端连接于所述子机翼。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的混合升力高空系留系统，其特征在于，所述升力翼的表面铺设有太阳能电池。

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