CN111268088B - 体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统 - Google Patents
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Abstract
一种体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统，体积可控气囊装置包括气囊、储存罐以及转换装置；气囊用于存储气态介质，储存罐用于存储液态介质或者固态介质；无日照时，飞艇整体浮力降低，转换装置将储存罐中的液态介质或者固态介质转换为气态介质并填充至气囊中使气囊的体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，转换装置将气囊中的气态介质转换为液态介质或者固态介质，使气囊的体积变小，以降低浮力。本发明提供的体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统，通过引入附加相变气囊操控浮力，平衡飞艇在平流层环境下因光照有无等外界因素引起的浮力变化，有利于可长时驻空平流层飞艇的实现。
Description
技术领域
本申请涉及浮空器技术领域，尤指一种体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统。
背景技术
平流层指海拔高度10-55km的大气空间，其处于对流层与中间层之间，气流相对平稳，垂直对流小，且在电离层以下，电磁信号不受外界干扰，是执行空中监测、预警、通讯等任务的理想环境。但也因平流层太阳辐射强烈、空气稀薄等因素，常规飞机或卫星无法在此空域长时间工作，飞艇(包括气球)成为唯一较为理想的长时驻空平台。因此世界主要大国投入巨大研发力量，以期攻克平流层飞艇。然而至今为止，还没有真正意义上的平流层飞艇问世。其主要受制因素除了最重要的囊体材料外，由于昼夜温度变化引起的“超热”和“超压”现象也是造成平流层飞艇长时驻空瓶颈的关键。大量研究和飞行试验表明，由于太阳辐射和地球反照等外部热环境影响，飞艇内氦气平均温度在白昼时会比夜晚高30～70℃。如果不采取有效应对措施，工作高度在20km的飞艇，由超热状态变化引起的昼夜高度变化可达5km以上，严重影响平流层飞艇的使用性能与效果。
一元气囊浮空器的高度和压力控制通道存在耦合，而且操纵变量不足以实现独立控制。目前，飞艇主要通过超压以及放气抛重等原始手段控制浮升，不仅无法同时独立有效控制飞艇高度、压力和浮力，且对飞艇长时间驻空及有效载荷提升产生极大的负面影响。长时间连续驻空已成为平流层飞艇发展面临的卡脖子问题，至今，在世界范围内，平流层飞艇的连续驻空时间尚未突破24小时。
鉴于此，实有必要提供一种新的体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种有利于平流层驻空的体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种体积可控气囊装置，包括气囊、储存罐以及分别与所述气囊、所述储存罐连通的转换装置；所述气囊用于存储气态介质，所述储存罐用于存储液态介质或者固态介质；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置将所述储存罐中的液态介质或者固态介质转换为气态介质并填充至所述气囊中使所述气囊的体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述转换装置将所述气囊中的气态介质转换为液态介质或者固态介质，使所述气囊的体积变小，以降低浮力。
优选地，所述转换装置包括第一压缩机、第一冷凝器以及蒸发器；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的液态或者固态介质经所述蒸发器转换为气态介质并填充至所述气囊中进而使得所述所述气囊体积变大；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质经在所述第一压缩机及所述第一冷凝器的作用下转换为液态介质或者固态介质进而使得所述气囊的体积变小。
优选地，所述转换装置还包括第一节流阀，所述第一节流阀用于控制所述转换装置的转换效率。
优选地，当所述相变转换器进行气液转换时，所述气囊中的气体介质为氨、丁烷、丁烷同分异构体、丁烯、丁烯同分异构体、丙烷、丙烯、甲烷、氮气、氧气、氢气、氦气、二氟氯甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷中的一种、二种或多种组合。
优选地，当所述相变转换器进行气固转换时，所述气囊中的气体介质为氨、二氧化碳中的一种或者两种。
优选地，所述转换装置包括蓄电池、连通所述储存罐的第一量瓶与第二量瓶以及分别控制所述第一量瓶、所述第二量瓶连通所述气囊的第二节流阀与第三节流阀，所述气囊中存储的气体介质为不相通的氢气与氧气，所述储存罐中的存储的液体介质为水；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的水电解生成氢气、氧气后分别经所述第一量瓶、所述第二量瓶填充至所述气囊中进而使得所述所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述所述气囊中氢气与氧气填充至所述储存罐中并发生燃烧使得所述气囊的体积变小，以降低浮力。
优选地，所述转换装置包括依次连通的多个增压单元，每个增压单元包括连通的第二压缩机与第二冷凝器；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的液体介质汽化并填充至所述气囊中进而使得所述所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质经所述多个增压单元转换为液体介质并填充至所述储存罐中使得所述气囊的体积变小，以降低浮力。
优选地，所述转换装置与所述储存罐一体化设计，所述转换装置中存储有能够吸收所述气囊中气体介质的中间介质；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置中的中间介质经加热后使得中间介质中的气体介质脱离中间介质并填充至所述气囊中进而使得所述所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质与所述储存罐连通使得所述气囊中的气体介质被所述转换装置中的中间介质吸收进而使得所述气囊的体积变小，以降低浮力。
优选地，所述转换装置与所述储存罐一体化设计，所述转换装置为吸附材料；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质被所述储存罐吸附进而使得所述气囊的体积变小，以降低浮力；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置中的中间介质经加热后使得所述转换装置吸附的气体介质脱离所述转换装置并填充至所述气囊中进而使得所述所述气囊体积变大，以提高浮力。
一种多元气囊飞艇系统，包括所述体积可控气囊装置。
本发明提供的体积可控气囊装置，通过所述转换装置气液、或气固相变、或化学反应，使得所述气囊的体积发生变化。本发明提供的体积可控气囊装置及多元气囊飞艇系统，有利于平流层驻空的多元气囊飞艇的实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的多元气囊飞艇系统的结构示意图；
图2为本申请的体积可控气囊装置的实施例一中转换装置的结构图；
图3为本申请的体积可控气囊装置的实施例二的结构图；
图4为本申请的体积可控气囊装置的实施例三的结构图；
图5为本申请的体积可控气囊装置的实施例四的结构图；
主要机构符号说明
体积可控气囊装置-100；气囊-10；储存罐-20；转换装置-30；第一压缩机-311；第一冷凝器-312；蒸发器-313；第一节流阀-314；蓄电池-321；第一量瓶-322；第二量瓶-323；第二节流阀-324；第三节流阀-325；增压单元-33；第二压缩机-331；第二冷凝器-332；多元气囊飞艇系统200。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参照图1，一种体积可控气囊装置100，包括气囊10、储存罐20以及分别与所述气囊10、所述储存罐20连通的转换装置30。所述气囊10用于存储气态介质，所述储存罐20用于存储液态介质或者固态介质。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述转换装置20将所述气囊10中的气态介质转换为液态介质或者固态介质，使所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置30将所述储存罐20中的液态介质或者固态介质转换为气态介质并填充至所述气囊10中使所述气囊10的体积增大。
请参照图2，在实施例一中，所述转换装置30包括第一压缩机311、第一冷凝器312以及蒸发器313。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊10中的气体介质经在所述第一压缩机311及所述第一冷凝器312的作用下转换为液态介质或者固态介质使所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐20中的液态或者固态介质经所述蒸发器33转换为气态介质并填充至所述气囊10中进而使得所述所述气囊10体积变大。
进一步的，所述转换装置30还包括第一节流阀314，所述第一节流阀34用于控制所述转换装置30的转换效率，进而控制所述气囊10的体积变化速率。
本实施例中，由于制冷剂在常压下的凝固点分别为氨是-160℃，二氧化碳是-78.5℃，一氟甲烷是-142℃，丙烯是-185.25℃，二氟甲烷是-136℃。可以看出，虽然这些工质的沸点与大气温度相近，但凝固点却比大气温度小很多，故需要更高的增压和更低的制冷温度。所以当所述相变转换器30进行气液转换时，所述气囊10中的气体介质为氨、丁烷、丁烷同分异构体、丁烯、丁烯同分异构体、丙烷、丙烯、甲烷、氮气、氧气、氢气、氦气、二氟氯甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷中的一种、二种或多种组合。
当所述相变转换器30进行气固转换时，所述气囊10中的气体介质为氨、二氧化碳中的一种或者两种。
请参照图3，在实施例二中，所述转换装置30包括蓄电池321、连通所述储存罐20的第一量瓶322与第二量瓶323以及分别控制所述第一量瓶322、所述第二量瓶323连通所述气囊10的第二节流阀324与第三节流阀325，所述气囊10中存储的气体介质为不相通的氢气与氧气，所述储存罐20中的存储的液体介质为水。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述所述气囊10中氢气与氧气填充至所述储存罐20中并发生燃烧使得所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐20中的水电解生成氢气、氧气后分别经所述第一量瓶322、所述第二量瓶323填充至所述气囊10中进而使得所述所述气囊10体积变大。
请参照图4，在实施例三中，所述转换装置30包括依次连通的多个增压单元33，每个增压单元33包括连通的第二压缩机331与第二冷凝器332。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊10中的气体介质经所述多个增压单元33转换为液体介质并填充至所述储存罐20中使得所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐20中的液体介质汽化并填充至所述气囊10中进而使得所述所述气囊10体积变大。
请参照图5，可以理解的，在实施例四中，所述体积可控气囊装置100还可以同时包括第一压缩机311、第一冷凝器312以及蒸发器313以及多个增压单元33，进而使得所述气囊10的体积变化速率更快。
在实施例五中，所述转换装置30与所述储存罐20一体化设计，所述转换装置30中存储有能够吸收所述气囊10中气体介质的中间介质。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊10中的气体介质与所述储存罐20连通使得所述气囊10中的气体介质被所述转换装置30中的中间介质吸收进而使得所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置30中的中间介质经加热后使得中间介质中的气体介质脱离中间介质并填充至所述气囊10中进而使得所述所述气囊10体积变大。
在实施例六中，如权利要求1所述的体积可控气囊装置100，其特征在于，所述转换装置30与所述储存罐20一体化设计，所述转换装置30为吸附材料。有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊10中的气体介质被所述储存罐20吸附进而使得所述气囊10的体积变小。无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置30中的中间介质经加热后使得所述转换装置30吸附的气体介质脱离所述转换装置并填充至所述气囊10中进而使得所述所述气囊10体积变大。
本发明还提供一种多元气囊飞艇系统200，包括所述体积可控气囊装置100。
本发明提供的体积可控气囊装置100，通过所述转换装置30气液、或气固相变、或化学反应，使得所述气囊10的体积发生变化。本发明提供的体积可控气囊装置100及多元气囊飞艇系统200，有利于平流层驻空的多元气囊飞艇的实现。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种体积可控气囊装置，其特征在于，包括气囊、储存罐以及分别与所述气囊、所述储存罐连通的转换装置；所述气囊用于存储气态介质，所述储存罐用于存储液态介质或者固态介质；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置将所述储存罐中的液态介质或者固态介质转换为气态介质并填充至所述气囊中使所述气囊的体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述转换装置将所述气囊中的气态介质转换为液态介质或者固态介质，使所述气囊的体积变小，以降低浮力；
所述转换装置包括蓄电池、连通所述储存罐的第一量瓶与第二量瓶以及分别控制所述第一量瓶、所述第二量瓶连通所述气囊的第二节流阀与第三节流阀，所述气囊中存储的气体介质为不相通的氢气与氧气，所述储存罐中的存储的液体介质为水；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的水电解生成氢气、氧气后分别经所述第一量瓶、所述第二量瓶填充至所述气囊中进而使得所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中氢气与氧气填充至所述储存罐中并发生燃烧使得所述气囊的体积变小，以降低浮力；
或者，所述转换装置包括依次连通的多个增压单元，每个增压单元包括连通的第二压缩机与第二冷凝器；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的液体介质汽化并填充至所述气囊中进而使得所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质经所述多个增压单元转换为液体介质并填充至所述储存罐中使得所述气囊的体积变小，以降低浮力；
或者，所述转换装置与所述储存罐一体化设计，所述转换装置中存储有能够吸收所述气囊中气体介质的中间介质；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置中的中间介质经加热后使得中间介质中的气体介质脱离中间介质并填充至所述气囊中进而使得所述气囊体积变大，以提高浮力；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质与所述储存罐连通使得所述气囊中的气体介质被所述转换装置中的中间介质吸收进而使得所述气囊的体积变小，以降低浮力；
或者，所述转换装置与所述储存罐一体化设计，所述转换装置为吸附材料；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质被所述储存罐吸附进而使得所述气囊的体积变小，以降低浮力；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述转换装置中的中间介质经加热后使得所述转换装置吸附的气体介质脱离所述转换装置并填充至所述气囊中进而使得所述气囊体积变大，以提高浮力。
2.如权利要求1所述的体积可控气囊装置，其特征在于，所述转换装置包括第一压缩机、第一冷凝器以及蒸发器；无日照时，飞艇整体浮力降低，所述储存罐中的液态或者固态介质经所述蒸发器转换为气态介质并填充至所述气囊中进而使得所述气囊体积变大；有日照时，飞艇整体浮力增加，所述气囊中的气体介质经在所述第一压缩机及所述第一冷凝器的作用下转换为液态介质或者固态介质进而使得所述气囊的体积变小。
3.如权利要求2所述的体积可控气囊装置，其特征在于，所述转换装置还包括第一节流阀，所述第一节流阀用于控制所述转换装置的转换效率。
4.如权利要求3所述的体积可控气囊装置，其特征在于，当所述相变转换器进行气液转换时，所述气囊中的气体介质为氨、丁烷、丁烷同分异构体、丁烯、丁烯同分异构体、丙烷、丙烯、甲烷、氮气、氧气、氢气、氦气、二氟氯甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷中的一种、二种或多种组合。
5.如权利要求3所述的体积可控气囊装置，其特征在于，当所述相变转换器进行气固转换时，所述气囊中的气体介质为氨、二氧化碳中的一种或者两种。
6.一种多元气囊飞艇系统，其特征在于，包括任意一项如权利要求1-5所述的体积可控气囊装置。
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