CN112173060A - 一种含有保压装置的平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有保压装置的平流层飞艇，主要包括飞艇主囊体，吊舱、调压气囊与保压模块。采用调压气囊的结构，通过控制系统控制保压模块调节平流层飞艇囊体内压力。飞艇主囊体后部安装推进装置提供动力；由太阳能电池阵结合储能系统供电。同时飞艇头部安装变距螺旋桨，实现飞艇偏航及俯仰姿态的同时控制，与推进装置共同形成飞艇偏航和俯仰的双裕度控制。本发明有效解决了平流层飞艇因昼夜温差与气体泄露而无法维持良好外形，保持恒定压力的问题。本发明可根据驻空时间，飞艇载重等多种因素选取调压气囊个数、位置，具有一定的灵活性。

Description

一种含有保压装置的平流层飞艇

技术领域

本发明属于飞艇领域，尤其涉及一种含有保压装置的平流层飞艇。

背景技术

平流层飞艇作为一种具备持久飞行能力的低速飞行器，可长期驻留于平流层高空，在对地观测、预警侦查、广域通讯、应急救灾等军事及民用领域具有广泛的应用前景。近年来也成为了国内外研究的重点。

平流层飞艇的研制涉及到多项关键技术，具体包括总体布局设计、超压囊体设计、能源系统、飞行控制技术和定点着陆等多个方面。其中为了实现飞艇的长时驻空飞行，总体设计技术就显得尤为重要。平流层飞艇囊内压力由于昼夜温差及艇内微孔气体泄漏等原因会导致波动，使得飞艇外形不易保持稳定，影响飞艇的浮重平衡、推阻平衡和能源平衡，不利于飞艇长期驻空飞行。

中国发明专利号CN 105644762 B公布了一种新型平流层飞艇，其内部超压浮力单元为飞艇提供驻空飞行所需的浮力，但无法调节昼夜温差导致的压力变化，存在飞艇外部蒙皮发生变形或承受巨大压力的问题、影响飞艇长时驻空飞行。

发明内容

为了解决平流层飞艇在驻空飞行过程中因昼夜温差引起的压力波动以及气体泄漏导致囊体内部压力减小无法维形的问题，本发明提出一种含有保压装置的平流层飞艇，该飞艇具有良好的气动特性和长时驻空性能，可有效解决平流层飞艇艇体压力控制的问题。

本发明含有保压装置的平流层飞艇，包括飞艇主囊体、飞艇主囊体腹部吊装的吊舱，飞艇主囊体尾部安装的推进装置,以及安装于飞艇主囊体内部的调压气囊，安装于吊舱内的保压模块、太阳能电池阵、储能系统与控制系统。

所述保压模块包括安装于飞艇主囊体与调压气囊上的压力传感器、温度传感器；同时具有用于调节飞艇主囊体与调压气囊内部气压的主囊体阀门与调压气囊阀门，两阀门间通过压气机相连。

所述太阳能电池阵与吊舱内部的储能系统相连，为飞艇平台提供循环能源。储能系统用于储存太阳能电池阵所转化的电能。控制系统连接储能系统与保压模块；由储能系统提供电力，并根据传感器传输数据控制两阀门与压气机的开合。

由此，通过压力传感器、温度传感器实时监测飞艇主囊体与调压囊体的压力与温度，监测信号传输至控制系统进行处理；当压力偏离飞艇预设保压范围时，保压模块通过控制系统控制调压气囊阀门、主囊体阀门与压气机的开合来完成保压操作。通过飞艇主囊体与调压囊体内氦气的互相转移，维持飞艇主囊体压力稳定在保压范围内，可有效改善飞艇主囊体因温度变化而引起的压力波动，同时也可为飞艇主囊体补充氦气。

本发明的优点在于：

1、本发明含有保压装置的平流层飞艇，在平流层环境下依靠内部调压气囊来调节飞艇囊体内部压力波动，使飞艇保持恒定的压力，从而克服囊体因昼夜温度变化或微孔泄露导致的压差载荷，并保持飞艇飞行高度，维持蒙皮形状，保证良好的气动特性。

2、本发明含有保压装置的平流层飞艇，放飞过程中调压囊体通过超压储存浮升气体，在驻空飞行过程中可向飞艇主囊体补气，实现长时驻空飞行能力。

3、本发明含有保压装置的平流层飞艇，调压气囊数量可以根据设计需要改变，取决于任务飞行高度及飞行时间,具有较强的适应性。

附图说明

图1为本发明含有保压装置的平流层飞艇整体结构示意图。

图2为本发明含有保压装置的平流层飞艇吊舱内部结构示意图。

图3为本发明含有保压装置的平流层飞艇调压气囊安装方式示意图。

图中：

1-飞艇主囊体 2-吊舱 3-调压气囊

4-保压模块 5-推进装置 6-变距螺旋桨

7-着陆缓冲装置 8-载重块 9-太阳能电池阵

10-储能系统 11-控制系统 201-连接杆

202-耳片连接件 301-拉锚环 302-加强拉环

303-牵引拉索 401-压力传感器 402-温度传感器

403-调压气囊阀门 404-主囊体阀门 405-压气机

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明含有保压装置的平流层飞艇，包括飞艇主囊体1、吊舱2、调压气囊3、保压模块4、推进装置5、变距螺旋桨6、着陆缓冲装置7、载重块8、太阳能电池阵9、储能系统10与控制系统11，如图1、图2所示。

所述飞艇主囊体1采用单囊体布局，采用轻质多层复合材料，内部充氦气，充气后整体呈椭球形。飞艇主囊体1的蒙皮上布置加强筋，加强筋沿飞艇主囊体1的径向和维向以等角度或等距离的方式均布。

飞艇主囊体1腹部吊装有吊舱2，吊舱2为保压模块4、着陆缓冲装置7、载重块8、储能系统10与控制系统11提供安装平台，同时吊舱2内用还可安装飞艇所搭载的其他系统和设备。吊舱2采用轻质复合材料结构，体形为长方体桁架。吊舱2上部两侧设置有四根或多根带有耳片的连接杆201，同时在飞艇主囊体1腹部由前置后方向安装有多组金属耳片连接件202，每组两个，通过吊舱2上部的连接杆201与对应的金属耳片连接件202配合连接，完成吊舱2的安装；且通过吊舱2上部的连接杆201与纵向不同位置的金属耳片连接件202配合连接，实现飞艇的重心与浮心的进行配平，保证飞艇的俯仰稳定性。

所述调压气囊3与保压模块4分别安装于飞艇主囊体1与吊舱2内。其中，调压气囊3为一个或多个独立布置或相互连通的正球形或南瓜形充气气囊，每个调压气囊3可由一层或多层蒙皮组成。本实施方式中即为一个独立布置的调压气囊3结构。如图3所示，在调压气囊3约1/3高处环向等距布置四个拉锚点，各拉锚点处安装拉锚环301，同时在飞艇主囊体1底部内表面周向布置四个加强拉点，加强拉点可布置于蒙皮的加强筋上，加强拉点处安装加强拉环302。四个拉锚环301与四个加强拉环302间分别通过牵引拉索303相连，且使调压气囊3与飞艇主囊体1底部内表面接触，同时保证牵引拉索303与水平面夹角约为45°，以维持调压气囊整体重心稳定，减少飞艇外形变化，保证飞行性能。上述每个调压气囊3内部均充填氦气，结合飞艇主气囊共同产生驻空飞行时所需的浮力；但调压气囊3内氦气压力远高于飞艇主囊体1内部压力，结合保压模块对飞艇主气囊1进行压力调节。

所述保压模块4包括压力传感器401、温度传感器402、调压气囊阀门403、主囊体阀门404与压气机405。其中，压力传感器401与温度传感器402，各位两个，分别安装于飞艇主囊体1及调压气囊3外表面，传感器探头穿过囊体蒙皮与囊体内部相连通，实现飞艇主囊体1及调压气囊3内部的温度和压力的实时监测，监测信号实时反馈到控制系统11。调压气囊阀门403安装于调压气囊3与飞艇主囊体1间的接触点处，调压气囊阀门403贯穿其所在位置处的所有蒙皮，一端位于调压气囊3内部，另一端位于飞艇主囊体1外部，并通过导气管8与压气机405一端连接。主囊体阀门404安装于吊舱2上方位置的主囊体蒙皮外表面上，一端通过导气管8与飞艇主囊体1内部连通，另一端通过导气管8连接压气机405的另一端。

上述保压模块4中，由压力传感器401、温度传感器402实时监测飞艇主囊体1与调压囊体3的压力与温度，监测信号传输至控制系统11进行处理。当压力偏离飞艇预设保压范围时，保压模块4通过控制系统11控制调压气囊阀门403、主囊体阀门404与压气机405的开合来完成保压操作。通过飞艇主囊体1与调压囊体3内氦气的互相转移，维持飞艇主囊体1压力稳定在保压范围内，可有效改善飞艇主囊体1因温度变化而引起的压力波动，同时也可为飞艇主囊体1补充氦气，克服因飞艇主囊体1材料泄漏导致氦气流失的问题，从而维持飞艇外形，使飞艇具有一定的刚度。

上述保压模块4的具体工作流程为：

白天因温度升高，飞艇主囊体1内压力升高，当压力升高至一定程度后，飞艇主囊体1内压力传感器401检测到飞艇主囊体1内部压力高于保压阀值，信号传输至控制系统11进行处理，由控制系统11控制压气机405工作，调压气囊阀门403打开，主囊体阀门404打开，飞艇主囊体1内氦气经导气管8进入压气机405，经过压缩后充入调压气囊3。当飞艇主囊体1内部压力下降达到预定范围后，调压气囊阀门403关闭，主囊体阀门404关闭，压气机405停止工作。

夜间温度降低，飞艇主囊体1内压力降低，调压气囊阀门403打开，主囊体阀门404打开，调压气囊3内氦气由于压差自动流入飞艇主囊体1内部，飞艇主囊体1内部压力达到预定值后，调压气囊阀门403关闭，主囊体阀门404关闭。飞艇驻空过程中，飞艇主囊体1的蒙皮存在一定泄露率，当飞艇主囊体1内压力低于保压范围时，同样进行如上操作，保证飞艇主囊体1内压力稳定有利于飞艇长时驻空飞行。

所述推进装置5为单组矢量推进螺旋桨，布置于飞艇主囊体1的尾部，通过控制推进装置工作状态来调节飞行速度和航向姿态。

所述变距螺旋桨6布置于飞艇主囊体1头部，变距螺旋桨6可为多个，朝向不同设置，均安装于飞艇主囊体1头部安装的姿态控制支架上；该姿态控制支架可根据需求设计多个安装面，实现多个变距螺旋桨6的固定。由此通过调整各变距螺旋桨6的推力大小和方向，实现飞艇偏航及俯仰姿态的同时控制，进而与推进装置5共同形成飞艇偏航和俯仰的双裕度控制。

所述着陆缓冲装置7安装于吊舱2结构的底部，采用气囊或蜂窝缓冲系统，以适应不同地形条件下系统着陆时对飞艇底部结构的保护。

所述载重块8安装于吊舱2结构的底部，与着陆缓冲装置8，并列安装，用于根据飞艇飞行状态抛卸以维持飞艇浮重平衡。

所述太阳能电池阵9采用柔性电池板直接铺设在飞艇主囊体1上部，通过线缆穿过飞艇主囊体1外表面的固定点，贴合飞艇主囊体外表面铺设，并连接至吊舱2，与吊舱2内部的储能系统相连，为飞艇平台提供循环能源，使得飞艇具备长航时驻空能力。

所述储能系统10用于储存太阳能电池阵9所转化的电能，并供给于飞艇其他用电设备。

所述控制系统11安装于吊舱2中，连接储能系统10与保压模块4。控制系统11由储能系统10提供电力，记录飞艇飞行状态参数，控制各分系统执行飞行任务，并监控处理保压模块4传输的压力等参数，根据预设保压策略对保压模块进行控制，保持调压囊体3与飞艇主囊体1的压力稳定。

表1给出了一种本发明所涉及飞艇的具体参数，以说明本发明的优势。通过表1可看出该方案所涉及的一种平流层飞艇方案理论可驻空飞行265天，远高于公开报道的平流层飞艇的飞行记录(数天)，具有明显的长时驻空优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种含有保压装置的平流层飞艇，包括飞艇主囊体、飞艇主囊体腹部吊装的吊舱，飞艇主囊体尾部安装的推进装置；其特征在于：还包括安装于飞艇主囊体内部的调压气囊，以及安装于吊舱内的保压模块、太阳能电池阵、储能系统与控制系统；

所述保压模块包括安装于飞艇主囊体与调压气囊上的压力传感器、温度传感器；同时具有用于调节飞艇主囊体与调压气囊内部气压的主囊体阀门与调压气囊阀门，两阀门间通过压气机相连；

所述太阳能电池阵与吊舱内部的储能系统相连，为飞艇平台提供循环能源；

所述储能系统用于储存太阳能电池阵所转化的电能；

控制系统连接储能系统与保压模块；由储能系统提供电力，并根据传感器传输数据控制两阀门与压气机的开合。

2.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：所述飞艇主囊体与调压气囊内填充氦气。

3.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：调压气囊为一个或多个独立布置或相互连通的充气气囊。

4.如权利要求3所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：每个充气气囊可为正球形或南瓜形，由一层或多层蒙皮组成。

5.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：调压气囊通过牵引拉索与飞艇主囊体相连，底部与飞艇主囊体接触，且调压气囊内部压力高于飞艇主囊体内部压力。

6.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：调压气囊阀门安装于调压气囊与飞艇主囊体间的接触点处，调压气囊阀门贯穿其所在位置处的所有蒙皮，一端位于调压气囊内部，另一端位于飞艇主囊体外部。

7.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：由压力传感器、温度传感器实时监测飞艇主囊体与调压囊体的压力与温度，监测信号传输至控制系统进行处理；当压力偏离飞艇预设保压范围时，保压模块通过控制系统控制调压气囊阀门、主囊体阀门与压气机的开合来完成保压操作；通过飞艇主囊体与调压囊体内氦气的互相转移，维持飞艇主囊体压力稳定在保压范围内。

8.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：飞艇主囊体头部安装变距螺旋桨，变距螺旋桨为多个，安装于飞艇主囊体头部安装的姿态控制支架上；姿态控制支架根据需求设计多个安装面，实现多个变距螺旋桨不同朝向的安装。

9.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：吊舱的底部安装有着陆缓冲装置。

10.如权利要求1所述一种含有保压装置的平流层飞艇，其特征在于：吊舱底部设置载重块。

Images