CN114408153B - 一种小型系留气球用海面系泊系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及系留气球在海洋上的综合应用领域，涉及一种小型系留气球用海面系泊系统。该系统包括：系留气球、多功能系留缆绳、导向轮、防护支撑装置、储缆筒、储缆驱动装置、储气装置、第一系泊链、旋转接头、第二系泊链、调节机构、发电装置、浮台、控制装置、锚件。
Description
技术领域
本发明涉及系留气球在海洋上的综合应用领域，涉及一种小型系留气球用海面系泊系统。
背景技术
系留气球广泛应用于民用、国防等多个领域，用于搭载任务载荷实现监测、通讯中继等功能。但目前国内还仅在陆面上开展应用。由于系留气球在海洋领域对系泊系统要求较高，且在海洋领域，由于海面的恶劣环境及缺乏常规能源的支持，导致系留气球在海洋领域上的应用存在技术瓶颈。海洋上类似的应用产品有海洋浮标，能够开展对海洋气候、水文数据等进行数据采集；对于系留气球，国外有过大型船载系留气球的使用案例，而国内还没有相关报道。
发明内容
发明目的：本发明通过设计一种小型系留气球用海面系泊系统，该系统能够满足系留气球的海面系泊、供电、补气、自主收放等功能，并能够适应海面复杂的气象环境，实现海上系留气球的持续出勤，无人化运营。
技术方案：
一种小型系留气球用海面系泊系统，包括：系留气球、多功能系留缆绳、导向轮、防护支撑装置、储缆筒、储缆驱动装置、储气装置、第一系泊链、旋转接头、第二系泊链、调节机构、发电装置、浮台、控制装置、锚件；
系留气球下端连接多功能系留缆绳，防护支撑装置上端口处设置导向轮，防护支撑装置安装在浮台上，浮台内安装储气装置，储气装置上固定储缆驱动装置，储缆驱动装置与储缆筒的转轴连接，多功能系留缆绳绕导向轮后穿过防护支撑装置，伸入浮台系在储缆筒上；储气装置上还固定控制装置；浮台下方系有多条第一系泊链，多条第一系泊链汇聚到旋转接头，旋转接头下方通过第二系泊链连接调节机构，调节机构下连接锚件；发电装置安装在浮台下方正中位置。
系留气球为升力球，通过充装氦气，搭载多种任务载荷。
多功能系留缆绳从最外层护套向内依次为护套、铜线编织层、绝缘保护层。
绝缘保护层内包括光纤、电力导线、输气软管，光纤、电力导线、输气软管三者之间空隙中为填充层。
防护支撑装置采用箱型结构，包括：第一支撑板、第二支撑板、左右侧板、滑轨机构、滑轮限位机构；
左右侧板组成防护支撑装置的框架，框架顶部设置有第一支撑板、第二支撑板，第一支撑板、第二支撑板之间安装导向轮；右侧板上设置有滑轨机构，滑轨机构上端安装有滑轮限位机构；滑轨机构能在框架上滑动，以调整遮挡防护支撑装置上端口的大小。
调节机构包括：上连接口、弹性伸缩缸、伸缩弹簧、固定缸筒、下连接口；
弹性伸缩缸的顶部设置有上连接口，底部设置有下连接口；弹性伸缩缸内安装有纵向的伸缩弹簧，弹性伸缩缸处于固定缸筒内，能沿固定缸筒内壁滑动。
发电装置包括：连接机构、防护装置、功率变换装置、波浪俘获装置；
连接机构作为安装接口，通过螺栓与浮台相连，防护装置作为发电机构的防护外罩，并提供走线通道，以便将电能输送至用电设备，功率变换单元将波浪俘获装置产生的不稳定的电能经过整流器、变换器、储能单元，变成可供负载使用的稳定电能；波浪俘获装置通过浮力摆的摆动，获取波浪能，然后驱动浮力摆中的传动机构，带动发电机进行发电，但浮力摆中产生的电能是不稳定的。
弹性伸缩缸伸缩长度依据浮台水动力性能参数确定，伸缩弹簧的张力变化参数确定。
有益效果：本发明重点考虑了复杂海况带来的漂浮、翻滚、倾覆等对系泊系统的影响，浮台13采用了符合系泊系统使用模式的水动力外形设计，有较强的稳定性和抗倾覆性能，防护支撑装置4能够对浮台13内部设备进行进一步防护，第一系泊链8进一步提高了浮台13的稳定性能，旋转接头9解决了浮台13在扭转的情况下的力矩释放，防止锚件15在长期扭转力矩作用下锚定能力的下降，调节机构11，解决了大波动环境下浮台13发生倾覆的风险，发电装置12采用波浪能进行发电，使得系泊系统能够实现长时间无人运营，无需人工维护。因此，该系泊系统能够适应恶劣的海况环境，具有高的稳定性和使用安全性，生存能力强；系统为无人操作自动化系统，能够依据球体压力变化自行对球体进行氦气补充，续航时间长，具有无线通讯能力，能够与陆地或海面其他站点之间进行通讯；系统所需能源均由波浪能进行转化而来，无需常规能源支持，降低了使用运营成本。因此，本发明将拓宽系留气球的应用领域，增强人类对海洋的管控、探知能力，促进海空气象水文监测预警、海洋通信、海洋资源开发、海上航运、海上搜救等领域的快速发展。
附图说明
图1为一种小型系留气球用海面系泊系统的结构示意图。
图2为任务载荷示意图。
图3为防护支撑装置示意图。
图4为调节机构示意图。
图5为发电装置示意图。
具体实施方式
本发明提供一种小型系留气球用海面系泊系统的结构，如图1所示，包括：系留气球1、多功能系留缆绳2、导向轮3、防护支撑装置4、储缆筒5、储缆驱动装置6、储气装置7、第一系泊链8、旋转接头9、第二系泊链10、调节机构11、发电装置12、浮台13、控制装置14、锚件15组成，波浪16仅为示意浮台13工作位置，不属于本系统内容，系泊系统示意图见图1。
系留气球1为升力球，通过充装氦气，可搭载多种任务载荷，见图2，在海面上通过系泊系统实现在一定高度范围内的往复自主升降，运行期间由系泊系统提供电力并补充氦气。
多功能系留缆绳2既可以输送电能、传递信号、又可以输送气体，同时具有抗拉升、耐腐蚀、耐中压、柔软轻便等功能，多功能系留缆绳2从最外层护套向内依次为护套、铜线编织层、绝缘保护层，绝缘保护层内包括光纤、电力导线、输气软管，三者之间空隙中为填充层。
导向轮3用于将储缆筒5上存储的多功能系留缆绳2引导至浮台13的正上方，以便于提高系统的稳定性。
防护支撑装置4用于安装导向轮3，采用箱型结构，同时起到防止海水波浪通过浮台13上的出绳口进入到浮台13内部的功能，防护支撑装置4结构示意图见图3，支撑板4-1、4-2用于安装导向轮3，左右侧板4-3用于防止溅起的波浪进入浮台13内部，右侧板上安装有滑轨机构4-4，滑轮限位机构4-5用于防止多功能系留缆绳2脱出导向轮3的轮槽。当多功能系留缆绳2受到系留气球1的扰动，出现左右偏摆时，通过滑轮限位机构4-5带动滑轨机构4-4在右侧板4-3上来回滑动，起到防水的功能，从而进一步确保波浪不会进入到浮台13内部。
储缆筒5用于储存多功能系留缆绳2，储缆筒5通过储缆筒驱动装置6进行驱动。
储缆驱动装置6用于驱动储缆筒的运行，其所需电能来源于发电装置12。
储气装置7用于储存氦气，补充系留气球1日常损失的氦气，由控制装置14控制储气装置7中的电磁阀的开闭实现，并将气罐中的高压氦气通过过渡管后转为中低压氦气后，与多功能系留缆绳2进行连接，从而实现给系留气球1进行氦气补充。
第一系泊链8用于和浮台13连接，第一系泊链8可依据浮台13的大小及浮台13的外径与系泊的深度比例确定第一系泊链8的数量，用于增强浮台13的稳定性及抗倾覆性能。
旋转接头9上部用于连接第一系泊链8，下部用于连接第二系泊链10，旋转接头9上下部具有独立旋转功能，当浮台13由于海面波浪造成浮台13扭转时，通过旋转接头9可以释放扭转力矩，确保锚件15能够正常锚定，不至于损坏。
第二系泊链10上端和旋转接头9下部相连，下端和调节机构11相连，第二系泊链10和调节机构11组合后，能够在浮台13波动较大的情况下，动态调节浮台13受到的牵引力，增强系统的稳定性和抗倾覆能力，从而提高了系泊系统的抗浪性。
调节机构11用于调节第二系泊链10的张力和长度，由上连接口11-1、弹性伸缩缸11-2、伸缩弹簧11-3、固定缸筒11-4、下连接口11-5组成。弹性伸缩缸11-2伸缩长度依据浮台13水动力性能参数确定，伸缩弹簧11-3参数则依据第二系泊链10的张力变化参数确定。调节机构11的存在，可以确保第二系泊链10的张力依据浮台13位置的变化而相应变化，同时调节机构11使系泊绳10时刻保持一定范围的张力，确保浮台13不会由于波动过大而造成浮台的倾覆，进一步加强了系统的抗浪性。调节机构11示意图见图4。
发电装置12通过俘获波浪能进行发电，发电装置主要由连接机构12-1、防护装置12-2、功率变换装置12-3、波浪俘获装置12-4组成。连接机构12-1作为安装接口，通过螺栓与浮台13相连，防护装置12-2作为发电机构的防护外罩，并提供走线通道，以便将电能输送至用电设备，功率变换单元12-3将波浪俘获装置12-4产生的不稳定的电能经过整流器、变换器、储能单元等，变成可供负载使用的稳定电能。波浪俘获装置12-4通过浮力摆的摆动，获取波浪能，然后驱动浮力摆中的传动机构，带动发电机进行发电，但浮力摆中产生的电能是不稳定的。发电装置12主要部件示意见图5。
浮台13是系泊系统的最核心部件之一，为增强系泊系统的抗浪性和使用的安全性，减少外部阻力带来的影响，将设备均安装在浮台内部，且整体重心在浮台中心。依据系泊系统使用模式，浮台13的外形从水动力性能方面进行设计，要求载荷作用方向影响低、抗倾覆能力强。
控制装置14用于实现系留气球1的升降控制、储气装置7的开闭，并具有无线通讯功能，实现对系泊系统状态的监测。基于发电装置12发电量的多少，系留气球1的升降控制可采用断续控制工作模式，储气装置7的开闭控制依据系留气球1反馈的压力进行控制。
锚件15用于锚定系泊系统。
Claims (8)
1.一种小型系留气球用海面系泊系统，其特征在于，包括：系留气球(1)、多功能系留缆绳(2)、导向轮(3)、防护支撑装置(4)、储缆筒(5)、储缆驱动装置(6)、储气装置(7)、第一系泊链(8)、旋转接头(9)、第二系泊链(10)、调节机构(11)、发电装置(12)、浮台(13)、控制装置(14)、锚件(15)；
系留气球(1)下端连接多功能系留缆绳(2)，防护支撑装置(4)上端口处设置导向轮(3)，防护支撑装置(4)安装在浮台(13)上，浮台(13)内安装储气装置(7)，储气装置(7)上固定储缆驱动装置(6)，储缆驱动装置(6)与储缆筒(5)的转轴连接，多功能系留缆绳(2)绕导向轮(3)后穿过防护支撑装置(4)，伸入浮台(13)系在储缆筒(5)上；储气装置(7)上还固定控制装置(14)；浮台(13)下方系有多条第一系泊链(8)，多条第一系泊链(8)汇聚到旋转接头(9)，旋转接头(9)下方通过第二系泊链(10)连接调节机构(11)，调节机构(11)下连接锚件(15)；发电装置(12)安装在浮台(13)下方正中位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，系留气球(1)为升力球，通过充装氦气，搭载多种任务载荷。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，多功能系留缆绳(2)从外向内依次为护套、铜线编织层、绝缘保护层。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，绝缘保护层内包括光纤、电力导线、输气软管，光纤、电力导线、输气软管三者之间空隙中为填充层。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，防护支撑装置(4)采用箱型结构，包括：第一支撑板(4-1)、第二支撑板(4-2)、左右侧板(4-3)、滑轨机构(4-4)、滑轮限位机构(4-5)；
左右侧板(4-3)组成防护支撑装置的框架，框架顶部设置有第一支撑板(4-1)、第二支撑板(4-2)，第一支撑板(4-1)、第二支撑板(4-2)之间安装导向轮(3)；右侧板上设置有滑轨机构(4-4)，滑轨机构(4-4)上端安装有滑轮限位机构(4-5)；滑轨机构(4-4)能在框架上滑动，以调整遮挡防护支撑装置(4)上端口的大小。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，调节机构(11)包括：上连接口(11-1)、弹性伸缩缸(11-2)、伸缩弹簧(11-3)、固定缸筒(11-4)、下连接口(11-5)；
弹性伸缩缸(11-2)的顶部设置有上连接口(11-1)，底部设置有下连接口(11-5)；弹性伸缩缸(11-2)内安装有纵向的伸缩弹簧(11-3)，弹性伸缩缸(11-2)处于固定缸筒(11-4)内，能沿固定缸筒(11-4)内壁滑动。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，发电装置包括：连接机构(12-1)、防护装置(12-2)、功率变换装置(12-3)、波浪俘获装置(12-4)；
连接机构(12-1)作为安装接口，通过螺栓与浮台(13)相连，防护装置(12-2)作为发电装置的防护外罩，并提供走线通道，以便将电能输送至用电设备，功率变换装置(12-3)将波浪俘获装置(12-4)产生的不稳定的电能经过整流器、变换器、储能单元，变成可供负载使用的稳定电能；波浪俘获装置(12-4)通过浮力摆的摆动，获取波浪能，然后驱动浮力摆中的传动机构，使发电装置进行发电，但浮力摆中产生的电能是不稳定的。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，弹性伸缩缸(11-2)伸缩长度依据浮台(13)水动力性能参数确定，伸缩弹簧(11-3)参数则依据第二系泊链(10)的张力变化参数确定。
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