CN112644681A - 一种海上浮空器 - Google Patents

Abstract

本发明属于浮空飞行器技术领域，具体涉及一种海上浮空器，能够在海上超低空做上下往复运动。包括高压气囊层，中间气囊层，外层保护气囊层，自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块；所述高压气囊层位于海上浮空器的中心，所述中间气囊层与所述外层保护气囊层顺次套于所述高压气囊层外，高压气囊层与中间气囊层气囊内充有轻质气体，所述外层保护气囊层气囊内充有空气；所述自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块安装于所述中间气囊层；所述控制模块分别与各气囊层上的充气阀门可控制地连接，通过调控充气阀门启闭调节各气囊层气囊内轻质气体和/或空气压力，从而达到球体的微重力平衡，实现海上浮空器上浮‑下降循环往复运动。

Description

一种海上浮空器

技术领域

本发明属于浮空飞行器技术领域，具体涉及一种海上浮空器，能够在海上超低空做上下往复运动。

背景技术

空中悬浮技术是飞行器滞空飞行的一种关键技术，该技术是指为了能够实现空中悬停而通过某种装置克服自身所受的地心引力的技术。悬浮技术在现代已得到广泛的应用，如热气球、气球、直升机等。目前主流的悬浮技术有阿基米德浮力悬浮技术、旋翼悬浮技术、喷气反推力悬浮技术等。气囊悬浮装置就是阿基米德浮力悬浮技术典型应用，大多数是通过在地面完成充气后，释放气囊，从而达到在中低空悬浮的目的。

受限于充气质量的误差，球体滞空高度累积误差往往可以达到数百米，导致目前地面施放气球，不能实现在超低空的精准滞空悬浮。此外，受限于气球球体的材料性能和密封加工工艺水平，气球在空中的滞空时间也较短。热气球、气球等不带动力的飞行器在空中飞行时水平方向将随周围气流一起运动，相对周围气流是处于静止状态，其飞行距离、飞行方向和飞行速度取决于周围实时气流。在某一空域完成滞空后，将被迫随风飘走。

本发明提出的一种海上浮空器，是通过球体内携带的高压气源释放的低密度气体产生的浮力与球体重力达到准平衡状态(重力略大于浮力)，在海平面阵风、海面波浪起伏产生的推力综合作用下，这种平衡被打破，球体摆脱海水表面张力束缚，向上加速后减速飘升后，球体依靠自身微重力又开始下降至海面漂浮，继续重复上述飘升和下降过程，从而往复工作。

由于新型气球能停留在海平面，其运动受气流影响较小，仅会随海波漂浮，其相同时间内运动的距离将远远小于其他滞空气球。此外，由于高压气源不断的补气，能够维持球体滞空所需压力，其工作时间将得到充足的保证。

发明内容

本发明的目的是：本发明提出一种海上浮空器，可以实现球体的长航时、超低空往复滞空运动。弥补了传统气球滞空时间短、超低空滞空精度低、超低空滞空手段少的缺陷。此发明气球，将在海洋水文监测、海洋区域物探、海洋生态环境监测和其他特殊任务中发挥较大作用。

本发明的技术方案：为了实现上述目的，本发明提出一种海上浮空器，其特征在于，包括高压气囊层，中间气囊层，外层保护气囊层，自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块；

所述自发电电源模块用于向浮空器内的用电装置供电；

所述传感器模块用于实时测量中间气囊层的位置、温度、内部气压等数据，并转化为电信号传输给控制模块；

所述控制模块用于接收所述传感器模块传送的信号，并对信号进行处理分析后，向通信模块发出通信指令，流转至地面指挥系统后，发出控制指令，继而传回控制模块，再由控制模块发出压力控制信号给所述高压气囊层、外层保护气囊层的阀门，来调节囊内轻质气体和空气压力，从而达到球体的微重力平衡；紧急情况下，控制模块还可直接控制所述高压气囊层、外层保护气囊层的启闭；

所述通信模块用于将地面控制系统和控制模块之间信号的接收和中转；

所述高压气囊层位于海上浮空器的中心，所述中间气囊层与所述外层保护气囊层顺次套于所述高压气囊层外，所述高压气囊层与中间气囊层气囊内充有轻质气体，所述外层保护气囊层气囊内充有空气；所述自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块安装于所述中间气囊层；所述自发电电源模块分别与所述传感器模块、控制模块、通信模块电连接；所述传感器模块、控制模块、通信模块之间相互可通信地连接；所述控制模块分别与各气囊层上的充气阀门可控制地连接，通过调控充气阀门启闭调节各气囊层气囊内轻质气体和/或空气压力，从而达到球体的微重力平衡，实现海上浮空器上浮-下降循环往复运动。

在一个可能的实施例中，所述高压气囊层与所述中间气囊层之间、以及所述中间气囊层与所述外层保护气囊层之间通过柔性连接结构相互连接，以维持各气囊同球心的空间相对位置。

在一个可能的实施例中，所述中间气囊层气囊为密封气囊，所述高压气囊层气囊内部初始压力远大于中间气囊层饱和压力，所述高压气囊层向所述中间气囊层释放轻质气体。

在一个可能的实施例中，所述传感器模块包括多个传感器，通过粘接均布于所述中间气囊层气囊内或外同一圆周或椭圆周表面。

在一个可能的实施例中，所述中间气囊层气囊内固定有重心固定块；所述中间气囊层气囊内还装有圆盘状载荷安装平面，所述载荷安装平面与所述中间气囊层气囊重心平面平行，所述控制模块，通信模块固定于所述载荷安装平面上。

在一个可能的实施例中，所述自发电电源模块包括多组电池、自发电装置、支撑杆；所述支撑杆一端与所述重心固定块相连，另一端呈放射状分别与所述多组电池相连，将各组电池紧贴于所述中间气囊层气囊内或外同一圆周或椭圆周内表面。

在一个可能的实施例中，所述中间气囊层气囊内还设置有任务载荷，所述任务载荷固定于所述载荷安装平面上，所述自发电电源模块与所述任务载荷电连接，所述控制模块与所述任务载荷可控制地连接，向所述任务载荷发出任务操作信号。

在一个可能的实施例中，所述外层保护气囊层气囊由憎水耐腐蚀材料制成，以保护球体免遭海上侵蚀。

在一个可能的实施例中，所述中间气囊层气囊由高强度高气密性化合物薄膜材料制成。

在一个可能的实施例中，所述高压气囊层气囊由耐高压、高气密性多层复合材料制成。

本发明的有益效果：本发明提供并做循环往复运动的长航时新型气球滞空系统。该气球具备变高和自主调节了一种能在海上超低空悬浮能力，能够携带多种任务载荷，执行超低空海上无人作业。由于海上环境复杂，传统有人飞行器，例如直升机，超低空滞空作业时危险性高；而无人旋翼机滞空时长又较短。因此，本发明将为海上石油勘探、海空气象水文监测等作业提供一种安全、高效、长时的超低空滞空系统。

附图说明

图1为本发明一种海上浮空器结构示意图

图2为图1中A-A向示意图

其中：

1-电池、2-支撑杆、3-重心固定块、4-控制模块、5-任务载荷、6-传感器模块、7-通信模块、8-连接导线、9-1-外层保护气囊层气囊、9-2-外层连接绳、10-中间气囊层气囊、11-1-高压气囊层气囊、11-2-内层连接绳、12-载荷安装面、13-充气阀门、14-风机阀门

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”，“上”，“下”，“左”，“右”，“竖直”，“水平”，“内”，“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，术语“第一”，“第二”，“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”，“相连”，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是两个元件内部的连通。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本发明中的具体含义。

如图1所示，一种海上浮空器，包括电池1、支撑杆2、重心固定块3、控制模块4、任务载荷5、传感器模块6、通信模块7、连接导线8、外层保护气囊层气囊9-1、外层连接结构9-2、中间气囊层气囊10、高压气囊层气囊11-1、内层连接结构11-2、载荷安装面12、充气阀门13、风机阀门14；

所述电池1依附于中间气囊层气囊10内，通过自带的自发电装置将波浪起伏动能转化为电能后储存于电池，为控制模块4、任务载荷5、传感器模块6、通信模块7等各用电设备供电，满足球体内各设备在执行任务期间用电需求；

所述支撑杆2穿过载荷安装面12，连接重心固定块3和电池1，主用用途有两个，一是通过支撑杆2内的导线将电池串联在一起，二是支撑底部设备安装空间，调配球体重心尽量下沉，使之球体重心始终处于球心正下方，从而增强球体空中平衡能力和抗风能力；

重心固定块3安装于中间气囊层气囊10球体底部，为支撑杆2的固定提供底部支撑，并起到调节球体重心下沉的作用；

如图2所示，控制模块4安装于底部载荷安装面12上，接收传感器模块6信号，并对信号进行处理分析后，向通信模块7发出通信指令，流转至地面指挥系统后，发出控制指令，继而传回控制模块4，再由控制模块4发出压力控制信号给充气阀门13或风机阀门14，来调节囊内轻质气体和空气压力，从而达到球体的微重力平衡；紧急情况下，控制模块4还可直接控制充气阀门13或风机阀门14的启闭；

任务载荷5安装于底部载荷安装面12上，通过电池1提供的电能，进行任务操作，并接收控制模块4发出的任务操作信号；

传感器模块6均布于中间气囊层气囊10上，实时测量位置、温度、内部气压等数据，并转化为电信号传输给控制模块4；

通信模块7安装于顶部载荷安装平面上，用于将地面控制系统和控制模块4之间信号的接收和中转；

连接导线8用于球体内所有用电设备电流和电信号的传输；

外层保护气囊层气囊9-1安装于球体最外部，呈密封状态，通过外层连接绳9-2与中间气囊层气囊10相连，表面涂覆憎水涂层，用于对球体处于海水腐蚀环境和其他极端环境的防护；

中间气囊层气囊10用于接收高压气囊11释放的轻质气体，为产生浮力的密封气囊；

高压气囊层气囊11-1内部存储轻质高压气体，通过内层连接绳11-2与中间气囊相连，固定于球体中心位置；高压气囊层气囊11-1的囊内初始压力要远大于中间气囊层气囊10饱和压力；

载荷安装面12为控制模块4、任务载荷5、通信模块7的安装平面，同时起到中间气囊层气囊10结构骨架支撑作用；

充气阀门13安装于高压气囊11上，需接收控制信号做动，启闭阀门，调节中间气囊层气囊10囊内轻质气体的压力，使之囊体一直处于饱和状态。

风机阀门14安装于外部保护气囊9-1上，用于抽吸或释放空气来调节中间气囊层气囊10和外部保护气囊9-1间的空气重量，继而达到球体上浮或下降的条件。

当需要使用本发明浮空器执行任务时，先将浮空器从打包容器中拿出，启动球内自发电电源模块后释放。地面控制系统，控制充气阀门13和风机阀门14开启，快速充气，球体迅速涨满，浮于海面。通过传感器模块6监控的中间气囊层气囊10内外气压、温度、海波等数据，分析球体内部压力是否满足上浮条件，并将实时数据传输给控制模块4。通过控制模块4控制充气阀门13和风机阀门14的启闭，从而调节球体内轻质气体压力和空气压力，微重力平衡达到并满足上浮条件后，球体摆脱海水束缚上浮至临界高度后，在微重力作用下，缓慢下降至海面。球体再一次满足上浮条件后，上浮，周而复始，做上浮-下降循环往复运动。在执行任务期间，电池1将海面波浪起伏动能源源不断转化为电能储存，供给球体用电设备；控制模块4始终监控球体状体和内外气囊压力的控制。任务完成后，可根据需要，回收球体内轻质气体，供给下一次工作任务。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种海上浮空器，其特征在于，包括高压气囊层，中间气囊层，外层保护气囊层，自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块；

所述高压气囊层位于海上浮空器的中心，所述中间气囊层与所述外层保护气囊层顺次套于所述高压气囊层外，所述高压气囊层与中间气囊层气囊内充有轻质气体，所述外层保护气囊层气囊内充有空气；所述自发电电源模块，传感器模块，控制模块，通信模块安装于所述中间气囊层；所述自发电电源模块分别与所述传感器模块、控制模块、通信模块电连接；所述传感器模块、控制模块、通信模块之间相互可通信地连接；所述控制模块分别与各气囊层上的充气阀门可控制地连接，通过调控充气阀门启闭调节各气囊层气囊内轻质气体和/或空气压力，从而达到球体的微重力平衡，实现海上浮空器上浮-下降循环往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述高压气囊层与所述中间气囊层之间、以及所述中间气囊层与所述外层保护气囊层之间通过柔性连接结构相互连接，以维持各气囊同球心的空间相对位置。

3.根据权利要求1所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述中间气囊层气囊为密封气囊，所述高压气囊层气囊内部初始压力远大于中间气囊层饱和压力，所述高压气囊层向所述中间气囊层释放轻质气体。

4.根据权利要求1所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述传感器模块包括多个传感器，通过粘接均布于所述中间气囊层气囊内或外同一圆周或椭圆周表面。

5.根据权利要求1所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述中间气囊层气囊内固定有重心固定块；所述中间气囊层气囊内还装有圆盘状载荷安装平面，所述载荷安装平面与所述中间气囊层气囊重心平面平行，所述控制模块，通信模块固定于所述载荷安装平面上。

6.根据权利要求1所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述自发电电源模块包括多组电池、自发电装置、支撑杆；所述支撑杆一端与所述重心固定块相连，另一端呈放射状分别与所述多组电池相连，将各组电池紧贴于所述中间气囊层气囊内或外同一圆周或椭圆周内表面。

7.根据权利要求5所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述中间气囊层气囊内还设置有任务载荷，所述任务载荷固定于所述载荷安装平面上，所述自发电电源模块与所述任务载荷电连接，所述控制模块与所述任务载荷可控制地连接，向所述任务载荷发出任务操作信号。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述外层保护气囊层气囊由憎水耐腐蚀材料制成，以保护球体免遭海上侵蚀。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述中间气囊层气囊由高强度高气密性化合物薄膜材料制成。

10.根据权利要求1-7任意一项所述的一种海上浮空器，其特征在于，所述高压气囊层气囊由耐高压、高气密性多层复合材料制成。

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