CN112278226B - 一种临近空间浮空器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临近空间浮空器及其控制方法，浮空器包括携带球、保护球、平漂载体球和负载，所述平漂载体球设置在所述保护球内，该平漂载体球和保护球同时与位于下侧的所述负载连接，所述携带球连接在所述保护球的上侧，且所述携带球和保护球之间设置有切断连接的分离装置。本发明利用净举力经验公式给平漂球充入合适的浮力气体，在白天施放，平漂球系统通过外套气球进行保护隔离阳光和臭氧，通过串球携带的方式将平漂系统带入指定高度进行平漂，通过抛舱装置实现浮空器载体的昼夜转换，使胶乳气球平漂时长最长能达到24小时。

Description

一种临近空间浮空器及其控制方法

技术领域

本发明属于探空技术领域，具体为一种临近空间浮空器及其控制方法。

背景技术

临近空间指距离地球表面20～120km高度的空域，其范围介于普通航空器最高运行高度与天基卫星最低轨道高度之间，具有重要的军事与科研研究价值。临近空间浮空器成为临近空间飞行器发展的首选方向，常见临近空间浮空器主要包括平流层飞艇、超压气球以及高空气球等利用浮力长时驻空的飞行器。此类临近空间浮空器优点众多，特点突出：1)、滞空时间长，无论是飞艇还是气球均使用氦气的浮力气体升空，区别于普通航天器，其不消耗大量能源即可实现长时间停留飞行，可连续数天乃至一年的执行相关科学或其他任务；2)、施放灵活响应快。高空气球施放基本不受时间和地点的限制，可以随时依据要求施放升空，运输储存也远比普通航天器简单；3)、与飞机相比较，临近空间浮空器飞行高度更高，不仅仅是监测范围扩大，由于临近空间独特的空间环境，其科学研究价值也更大；4)、若作为军事用途，其隐身和规避性更好，天然橡胶或各种塑料材质的浮空器，几乎无法被雷达所探测到，而且一般的导弹也无法达到此高度；5)、运行成本低，临近空间浮空器比起飞机和火箭来说成本要低太多，尤其是高空气球浮空器成本更是极地。

近年来，世界各大强国都对临近空间给予了高度重视，力争在这场临近空间的开发利用中占得先机。例如美国航空航天局使用超压气球在临近空间来代替飞机和运载火箭执行任务；谷歌公司已经实现用临近空间超压气球为某些国家或地区在遭受自然灾害后提供手机信号和上网服务。

目前，现有的临近空间长航时浮空器均采用超压气球或飞艇，通过压缩机在高空调节气量来达到长时间平漂的目的。这是因为胶乳气球本身耐老化、耐氧化有限，即使改性也无法超过其极限，所以一般胶乳平漂气球只能维持几个小时，时间过长就会因紫外、臭氧等因素老化漏气，导致无法长时间平漂。但是超压气球飞行器或飞艇存在以下几个缺点：1)、比起胶乳气球几百到数千的价格来说，其造价昂贵，一般多达几百万到上千万不等；2)、该类气球在高空由风机抽气与排气控制高度，所以能源系统不足也是关键问题，导致气球无法长时间平漂；3)、临近空间超压球体型巨大，施放需耗费巨大的人力物力，还需要专用场地，有风等天气也无法施放，使用局限性大。虽然国外的长航时浮空器较为先进，但也仅仅解决了能源不足的问题，能长时间平漂，但是其造价依然十分昂贵，施放也较为复杂受环境影响严重。国内临近空间长航时浮空器研究工作尚不成熟，超压气球只能维持数小时平漂，胶乳平漂更短，缺少跨昼夜能力的临近空间平漂气球载体。

发明内容

本发明目的在于提供一种临近空间浮空器及其控制方法，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种临近空间浮空器，包括携带球、保护球、平漂载体球和负载，所述平漂载体球设置在所述保护球内，该平漂载体球和保护球同时与位于下侧的所述负载连接，所述携带球连接在所述保护球的上侧，且所述携带球和保护球之间设置有切断连接的分离装置。

进一步的，所述保护球的上下端设置有通过连接绳连接的球柄，所述保护球上端的球柄与所述分离装置连接，下端的球柄与所述负载连接。

进一步的，所述负载上设置有抛仓装置和测量仪器。

进一步的，与所述负载连接的球柄上设置有可自动打开的降落伞。

进一步的，所述保护球下端的球柄与负载之间的距离大于30米。

进一步的，所述平漂载体球内充入的气体为氢气，其中气球充气净举力y与所充氢气总量x之间的关系如下：

当平漂载体球的重量在750g时气球充气净举力y按公式为：

y＝-38.59x²+101.21x-294.08(1≤x≤3kg)；

当平漂载体球的重量在1600g时气球充气净举力y按公式为：y＝-52.072x-229.74(1.8kg≤x≤6.5kg)。

然后本发明公开了一种临近空间浮空器的控制方法，包括上述方案所述的临近空间浮空器，包括如下步骤：

S1，连接浮空器各部件后对所述携带球和平漂载体球充气，所述携带球内的充气量确保浮空器上升到指定高度；

S2，在白天施放，到达指定高度后，通过所述分离装置切断与所述保护球的连接；

S3，当转换到晚上由于球内温度明显下降导致浮力减少，气球就会下降，通过抛弃负载上的抛舱降低自重，保持平漂。

进一步的，在步骤S3中，当下降速度到达1.5m/s后进行抛舱，或者当降低至平漂要求的高度下限时进行抛舱。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过携带球将平漂系统带至指定高度分离，简单实用。然后通过将分离装置以下的平漂系统设置为双球系统，内球为平漂球，充入合适的气量使系统在高空平漂；外球为同规格双柄球，不充气，可以起到保护内球的作用。外球上下球柄用合适长度的绳子连接，防止长时间平漂后外球破裂导致外球皮掉落，影响系统平漂。下端为抛舱装置及负载区域，利用抛舱装置实现白天到晚上的转换，负载即为各类科学仪器进行相关研究。而与所述负载连接的球柄上设置有可自动打开的降落伞，从而可对负载上的各类科学仪器在降落时起到保护作用。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例公开的临近空间浮空器的结构示意图；

图2是本发明优选实施例公开的重量在750g时气球充气净举力y与所充氢气总量x之间的关系图；

图3是本发明优选实施例公开的重量在1600g时气球充气净举力y与所充氢气总量x之间的关系图。

图例说明：

1、携带球；2、保护球；3、平漂载体球；4、负载；5、分离装置；6、连接绳；7、球柄。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-3所示，本发明首先公开了一种临近空间浮空器，包括携带球1、保护球2、平漂载体球3和负载4，携带球1、保护球2和平漂载体球3均为充气式气球，平漂载体球3设置在保护球2内，从而可以通过保护球2隔离紫外线和臭氧，该平漂载体球3和保护球2同时与位于下侧的负载4连接，携带球1连接在保护球2的上侧，且携带球1和保护球2之间设置有切断连接的分离装置5。

在本实施例中，保护球2的上下端设置有通过连接绳6连接的球柄7，保护球2上端的球柄7与分离装置5连接，下端的球柄7与负载4连接，从而，防止当保护球2破裂后外球皮掉落，影响系统平漂。

在本实施例中，负载4上设置有抛仓装置和各类科学测量仪器，具体的抛仓装置一般拥有多个舱桶(子负载)，抛舱条件为在控制区间内气球下降速度以及最低下限2个条件控制，这两个条件可同时使用，也可只使用一个。

在本实施例中，与负载4连接的球柄7上设置有可自动打开的降落伞，从而当平漂载体球3破裂负载4下降时，通过与负载4连接的球柄7上降落伞打开，从而可对负载4上的各类科学仪器在降落时起到缓冲保护作用。

在本实施例中，为了减小平漂载体球3随风飘动以及自感应运动对载体仪器的干扰，保护球2下端的球柄7与负载4之间的距离大于30米。

在本实施例中，平漂载体球3内充入的气体为氢气，其中气球充气净举力y(单位为g)与所充氢气总量x(x为给平漂载体球3充氢气总量在标况下所能提供的总浮力，因为球内氢气提供的浮力不好直接测，所以用所能带起物体的重量来计量，单位kg)之间的关系如下：

当平漂载体球3的重量在750g时气球充气净举力y按公式为：

y＝-38.59x²+101.21x-294.08(1≤x≤3kg)；

当平漂载体球3的重量在1600g时气球充气净举力y按公式为：y＝-52.072x-229.74(1.8kg≤x≤6.5kg)；

其中，750g和1600g只指平漂载体球3的规格质量，实际可能有误差，保护球2的规格重量一般和平漂载体球3相同，即该系统一般由两个重量大致相同的两个球套在一起，保护球2重量也可略小于平漂载体球3。通过上述经验公式，可以准确、快速地对平漂球进行充气。

然后本发明公开了一种临近空间浮空器的控制方法，包括上述方案的临近空间浮空器，包括如下步骤：

S1，在地面连接浮空器各部件后对携带球1和平漂载体球3充气，携带球1内的充气量确保浮空器上升到指定高度；

S2，在白天施放，到达指定高度后，通过分离装置5切断与保护球2的连接；

S3，白天施放后，强烈的太阳辐射会产生较大的浮力，这个可以通过合适的净举力弥补，当转换到晚上由于平漂载体球3内温度明显下降导致浮力减少，气球就会下降，通过抛弃负载4上的抛舱降低自重，保持平漂。

进一步的，在步骤S3中，当下降速度到达1.5m/s后进行抛舱，或者当降低至平漂要求的高度下限时进行抛舱，两个条件只要满足一个就抛舱。同时，不管使用什么条件，只要升速为正(即向上运动)，那么抛舱装置就不工作，最终可实现白天到晚上的平漂转换。

为了验证方案的可行性，第一次实验在某站放球，中午12点38放球。携带球使用750g普通球，拉力2.3kg。平漂球系统为1600g双柄套1600g气球，降落伞重150g，仪器重420g，绳子100g，另外携带650g子负载。

计算平漂球系统总气量＝1630g+1650g+650g+420g+100g+150g＝4.6kg，利用公式y＝-52.072x-229.74(1.8kg≤x≤6.5kg)计算得出净举力为-470g。

放球1小时后，气球到达指定高度23000米，携带球与平漂球分离，分离后平漂球系统有1米每秒的升速，缓慢升到24800米开始平漂。

随后我们在第二次实验使用750g平漂系统，对750g平漂公式y＝-35.59x²+101.21x-294.08(1≤x≤3kg)进行了验证，平漂球充气量为2.5kg，计算出净举力为-282g。平漂球在23000米分离后先约有1米每秒的降速，降至21000米左右开始平漂。

上述两次试验可验证净举力公式得出的数值可以帮助平漂系统实现平漂。

同时，在某气象站实验，携带抛舱器，共8个舱，每个舱160g，抛舱装置工作区间为19500米～23500米，在此区间内当平漂系统降速大于1.5米每秒就抛舱，当气球低于下限19500米后同样抛舱，直至出现升速。携带球使用750g普通球，拉力2.5kg。平漂球系统为1600g双柄套1600g气球，气球、抛舱器、仪器、绳子、子负载等总重为6.15kg，利用公式算出净举力为-550g。

早上7:35放球，9点10分左右达到26000米的预设分离高度，分离后平漂球下降，降到24000米左右开始平漂。一直平漂到下午4点，随着太阳减小气球缓慢下降。下午5点降落至低于19500米下限，总计持续4分钟低于下限，共丢弃2个子负载后缓慢上升；17点50分又出现缓慢下降，随后再次低于下限19500米，丢弃第三个子负载，气球略有上升后缓慢下降；18点09分，再次低于19500米，丢弃第四个子负载，随后气球以1m/s的速度上升，19点升到21500左右开始稳定平漂；晚上22点，高度21660米，平漂状况良好，直至第二天早上6点左右太阳出现，平漂气球系统从22000米开始上升，升速约有1.5米每秒，随后加大至2.5米每秒，到8点10分到达35500米球炸，总驻空时长超过24小时。

上述实验证明该方案可利用胶乳平漂气球实现临近空间的长时间平漂，并实现昼夜转换。

以上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 (7)

1.一种临近空间浮空器，其特征在于，包括携带球(1)、保护球(2)、平漂载体球(3)和负载(4)，所述平漂载体球(3)设置在所述保护球(2)内，该平漂载体球(3)和保护球(2)同时与位于下侧的所述负载(4)连接，所述携带球(1)连接在所述保护球(2)的上侧，且所述携带球(1)和保护球(2)之间设置有切断连接的分离装置(5)；所述保护球(2)的上下端设置有通过连接绳(6)连接的球柄(7)，所述保护球(2)上端的球柄(7)与所述分离装置(5)连接，下端的球柄(7)与所述负载(4)连接。

2.根据权利要求1所述的临近空间浮空器，其特征在于，所述负载(4)上设置有抛仓装置和测量仪器。

3.根据权利要求1所述的临近空间浮空器，其特征在于，与所述负载(4)连接的球柄(7)上设置有可自动打开的降落伞。

4.根据权利要求1所述的临近空间浮空器，其特征在于，所述保护球(2)下端的球柄(7)与负载(4)之间的距离大于30米。

5.根据权利要求1-3任一所述的临近空间浮空器，其特征在于，所述平漂载体球(3)内充入的气体为氢气，其中气球充气净举力y与所充氢气总量x之间的关系如下：

当平漂载体球(3)在750g时气球充气净举力y按公式为：y＝-38.59x²+101.21x-294.08(1≤x≤3kg)；

当平漂载体球(3)在1600g时气球充气净举力y按公式为：y＝-52.072x-229.74(1.8kg≤x≤6.5kg)。

6.一种临近空间浮空器的控制方法，包括权利要求1-5任一所述的临近空间浮空器，其特征在于，包括如下步骤：

S1，连接浮空器各部件后对所述携带球(1)和平漂载体球(3)充气，所述携带球(1)内的充气量确保浮空器上升到指定高度；

S2，在白天施放，到达指定高度后，通过所述分离装置(5)切断与所述保护球(2)的连接；

S3，当转换到晚上由于球内温度明显下降导致浮力减少，气球就会下降，通过抛弃负载(4)上的抛舱降低自重，保持平漂。

7.根据权利要求6所述的临近空间浮空器的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，当下降速度持续1分钟到达1.5m/s后进行抛舱，或者当降低至平漂要求的高度下限时进行抛舱。

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