CN115107982A - 平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞艇技术领域，提供一种平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统，该方法包括以下步骤：将平流层飞艇下降至中低空空域；将拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇；该拖拽飞艇包括拖拽绳、套环，该套环设置在拖拽绳的末端；该平流层飞艇的前部设有可与套环锁紧或解除连接的闭锁器；调整拖拽飞艇和平流层飞艇的速率和高度，将拖拽绳垂直向下释放，使套环与闭锁器锁紧，停止释放拖拽绳；控制拖拽飞艇牵引平流层飞艇向预定回收区域飞行；到达预定回收区域后，解除套环和闭锁器的连接，回收平流层飞艇。本方案能够保证平流层飞艇安全、完整地返场。

Description

平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统

技术领域

本发明涉及飞艇技术领域，尤其涉及一种平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统。

背景技术

平流层飞艇具有非常广泛的军事及民用价值，例如在通信、遥感、空间观测和大气测量等方面都具有极大的应用价值。飞艇属于浮空器的一种，是利用轻于空气的气体来提供升力的航空器。飞艇获得的升力主要来自其内部充满的比空气轻的气体，如氢气、氦气等。

正在研制的平流层飞艇因为下降的过程中需要保形，必须往艇内输入空气使平流层飞艇的重量增加形成重力大于浮力以后，平流层飞艇才能保形下降。平流层飞艇在下降过程中，通过激流层时会被急风吹走而偏离至预定降落点很远的区域。输入空气的鼓风机需要耗费很大的能源，得到平流层飞艇下降靠近地面时能源已所剩无几。系统剩余能量(包括太阳能电池和储能电池的能力)不足以提供给平流层飞艇低空返场。另外，由于平流层飞艇体积庞大，从偏离至预定降落点很远的区域转运到艇库十分困难。

现有技术使用火工品爆破撕裂平流层飞艇的外囊体，释放氦气后使飞艇破裂跌落进而实现在预定区域返场。但是，重金打造的平流层飞艇从高空坠落后产生冲击力使飞艇上的设备、电池组、囊体材料等严重损毁，不能够重复使用，造成极大的浪费。

因此，需要提供一种平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统，能够保证平流层飞艇安全、完整地返场。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明主要目的是克服平流层飞艇难以回收返场的问题，提供一种平流层飞艇返场降落方法及控制平流层飞艇返场降落的系统，能够保证平流层飞艇安全、完整地返场并减少耗能，保证平流层飞艇安全、完整地返场。

为实现上述的目的，本发明第一方面提供了一种平流层飞艇返场降落方法，包括以下步骤：

将平流层飞艇下降至指定高度；

将拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇；该拖拽飞艇包括气囊、固定在气囊尾部的拖拽飞艇尾锥、固定连接在拖拽飞艇尾锥后部可向下释放的拖拽绳、套环，该套环设置在拖拽绳的末端；该平流层飞艇的前部设有可与套环锁紧或解除连接的闭锁器；

调整拖拽飞艇和平流层飞艇的速率和高度，将拖拽绳垂直向下释放，使套环与闭锁器锁紧，停止释放拖拽绳；

控制拖拽飞艇牵引平流层飞艇向预定回收区域飞行；

到达预定回收区域后，解除套环和闭锁器的连接，回收平流层飞艇。

根据本发明一示例实施方式，所述将拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇的方法包括：

综合指控系统通过当地气象预报数据做预判，规划并控制拖拽飞艇提前进入平流层飞艇下降的中低空空域，然后再接近平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇。

根据本发明一示例实施方式，所述使套环与闭锁器锁紧的方法包括：

通过综合指控系统指挥拖拽飞艇调整航向偏转角及转速、俯仰偏转角及转速、拖拽绳的释放速度及长度，使套环与闭锁器连接。

根据本发明一示例实施方式，所述使套环与闭锁器连接的方法包括：打开闭锁器的抓钩，套环套入闭锁器的抓钩，关合抓钩。

根据本发明一示例实施方式，所述解除套环和闭锁器的连接的方法包括：打开套环，使抓钩脱离套环。

根据本发明一示例实施方式，所述控制拖拽飞艇牵引平流层飞艇向预定回收区域飞行的方法包括：

在牵引的初始阶段，拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的正前方；

在牵引的初始阶段之后，调整平流层飞艇的航向偏转角及俯仰角使得平流层飞艇与拖拽飞艇在同一高度。

根据本发明一示例实施方式，所述接触套环和闭锁器的连接之前，还包括：

综合指控系统控制拖拽飞艇和平流层飞艇保持同一高度下降，直至到达指定高度及指定回收点。

根据本发明一示例实施方式，所述拖拽飞艇还包括：拖拽飞艇航向矢量推进系统、拖拽飞艇头锥；所述拖拽飞艇头锥固定在拖拽飞艇的气囊的前部，并位于气囊的中心轴上；所述拖拽飞艇航向矢量推进系统固定在拖拽飞艇头锥的前部，用于调整拖拽飞艇的航向；

所述拖拽飞艇航向矢量推进系统包括第一航向推进螺旋桨、第一航向推进电机、第一航向矢量旋转电机、第一蜗杆、第一蜗杆支撑件、第一涡轮、第一轴承、第一安装平台、第一涡轮轴；

所述第一航向推进螺旋桨与第一航向推进电机固定连接；

所述第一航向推进电机与第一涡轮轴的一侧固定连接，第一涡轮的；另一侧与第一涡轮轴固定连接，第一涡轮轴通过第一轴承与第一安装平台连接，第一涡轮轴与气囊的中心轴垂直；

第一涡轮和第一蜗杆形成涡轮蜗杆付，第一蜗杆支撑件的下方与第一安装平台固定连接，上方支撑第一蜗杆；第一蜗杆的一端与第一航向矢量旋转电机连接，第一航向矢量旋转电机与第一安装平台固定连接，在第一航向矢量旋转电机的带动下使第一涡轮转动。

根据本发明一示例实施方式，所述拖拽飞艇还包括拖拽飞艇局部加固框、多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统；所述拖拽飞艇局部加固框固定在气囊的外部，多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统对称地设置在气囊的两侧，并与拖拽飞艇局部加固框固定连接，拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统用于调整拖拽飞艇的俯仰姿态和/或推进拖拽飞艇的前进；

所述拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统包括第一俯仰推进螺旋桨、第一俯仰推进电机、第一俯仰矢量旋转电机、第二蜗杆、第二蜗杆支撑件、第二涡轮、第二轴承、第二安装平台和第二涡轮轴；

所述第一俯仰推进螺旋桨与第一俯仰推进电机固定连接；

所述第一俯仰推进电机与第二涡轮的一侧固定连接，第二涡轮的另一侧与第二涡轮轴固定连接，第二涡轮轴通过第二轴承与第二安装平台连接，第二涡轮轴与气囊的中心轴垂直；

第二涡轮和第二蜗杆形成涡轮蜗杆付，第二蜗杆支撑件的一端与第二安装平台固定连接，另一端支撑第二蜗杆；第二蜗杆的一端与第一俯仰矢量旋转电机连接，第一俯仰矢量旋转电机与第二安装平台固定连接，在第一俯仰矢量旋转电机的带动下使第二涡轮转动。

根据本发明一示例实施方式，所述拖拽飞艇还包括固定在气囊下方的吊舱、多个吊舱拖拽推进系统，多个吊舱拖拽推进系统分别固定在吊舱的两侧。

作为本发明的第二个方面，提供一种控制平流层飞艇返场降落的系统，包括：

拖拽飞艇、综合指挥系统、固定在平流层飞艇前部的闭锁器；

综合指挥系统与拖拽飞艇、平流层飞艇及闭锁器通讯地连接，根据所述平流层飞艇返场降落的方法控制拖拽飞艇、平流层飞艇及闭锁器实现平流层飞艇返场降落。

本发明的优势效果是，本发明在平流层飞艇下降过程中利用地面预先起飞的拖拽飞艇，在空中捕捉目标飞艇并将其拖拽到具备艇库或大型系留装置的场地进行定点降落，能够在平流层飞艇能量不足的情况下定点降落，保证了平流层飞艇的完整、安全回收，也防止在地面上远距离移动平流层飞艇。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了拖拽飞艇位于平流层飞艇前上方并释放拖拽绳的示意图。

图2示意性示出了拖拽飞艇在综合指挥系统的指挥下牵引平流层飞艇的示意图。

图3示意性示出了套环的结构图(关闭状态)。

图4示意性示出了套环的结构图(打开状态)。

图5示意性示出了弹性阻尼器的结构图。

图6示意性示出了拖拽飞艇头锥和拖拽飞艇航向矢量推进系统的连接关系图。

图7示意性示出了拖拽飞艇航向矢量推进系统的结构图。

图8示意性示出了拖拽飞艇局部加固框和气囊的连接关系图。

图9示意性示出了拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统的结构图。

图10示意性示出了闭锁器的结构图(闭锁状态)。

图11示意性示出了闭锁器的结构图(开锁状态)。

图12示意性示出了平流层飞艇侧推系统的结构图。

图13示意性示出了尾锥和绞盘的连接关系图。

其中，1—拖拽飞艇，11—拖拽飞艇航向矢量推进系统，11-1—第一航向推进螺旋桨，11-2—第一航向推进电机，11-3—第一航向矢量旋转电机，11-4—第一蜗杆，11-5—第一蜗杆支撑件，11-6—第一涡轮，11-7—第一涡轮轴，11-8—第一安装平台，12—拖拽飞艇头锥，13—拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统，13-1—第一俯仰推进螺旋桨，13-2—第一俯仰推进电机，13-3—第一俯仰矢量旋转电机，13-4—第二蜗杆，13-5—第二蜗杆支撑件，13-6—第二涡轮，13-7—第二涡轮轴，13-8—第二安装平台，14—气囊，15—拖拽飞艇局部加固框，16—第一观察器，17—拖拽飞艇尾翼舵，18—套环，18-1—内环齿条，18-2—外环壳体，18-3—套环电机，18-4—套环齿轮，19—弹性阻尼器，19-1—拉杆，19-2—第一单向阻尼油阀，19-3—第一压簧，19-4—第二单向阻尼油阀，19-5—活塞，19-6—第二压簧，19-7—内容器进出气口，19-8—外容器进出气口，19-9—内容器，19-10—油环活塞，19-11—外容器，19-12—器体，19-13—注油阀，110—拖拽绳，111—拖拽绳绞盘，112—吊舱拖拽侧推系统，113—吊舱，114—蝴蝶结，115—绑扎绳，116—拖拽飞艇尾锥，117—加强框，2—平流层飞艇，21—平流层飞艇航向矢量推进系统，22—平流层飞艇尾锥，23—平流层飞艇侧推系统，23-1—侧推螺旋桨，23-2—侧推电机，23-3—第五安装平台，24—平流层飞艇俯仰矢量侧推系统，25—外囊体，26—平流层飞艇头锥，27—第二观察器，28—闭锁器，28-1—锁钩主动齿轮，28-2—锁钩从动齿轮，28-3—锁钩构件，28-3A—第一弧段，28-3B—第二弧段，28-4—锁舌电机，28-5—锁舌齿条，28-6—锁舌齿轮，28-7—锁钩电机，28-8—锁紧器平台，28-8A—凹槽，28-8B—腔室，28-8C—开口，3—综合指挥系统。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

根据本发明的第一个具体实施方式，本发明提供一种拖拽飞艇1，如图1和图2所示，图1位于左上方的飞艇为拖拽飞艇1，拖拽飞艇1包括：气囊14、吊舱113、拖拽绳绞盘111、拖拽绳110、套环18、弹性阻尼器19、拖拽飞艇航向矢量推进系统11、拖拽飞艇头锥12、拖拽飞艇局部加固框15、多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13、多个吊舱拖拽侧推系统112、第一观察器16、拖拽飞艇尾翼舵17、多个蝴蝶结114、多个绑扎绳115、拖拽飞艇尾锥116和加强框117。

气囊14为近似椭球状的囊体。

吊舱113固定在气囊14中部的下方。吊舱113的两侧设有多个吊舱拖拽侧推系统112，用于产生使拖拽飞艇1向前飞行的动力。本方案中为两个吊舱拖拽侧推系统112对称地设置在吊舱113的两侧，由于拖拽飞艇1除了要提供动力让自身飞行之外，还需要牵引平流层飞艇2，为了增加动力，可以多设置几组吊舱拖拽侧推系统112。

拖拽飞艇尾锥116固定在拖拽飞艇1的气囊14的尾部(后部)，并位于气囊14的中心轴上。如图1所示，由于通过尾锥116拖拽平流层飞艇2，受力点在尾部而不是在吊舱，需要增加在尾部与安装发动机的吊舱、支架与尾部受力点之间的加强框117。

拖拽绳绞盘111设置于拖拽飞艇尾锥116的后部。如图13所示，拖拽绳绞盘111和拖拽飞艇尾锥116通过桁架结构进行连接。拖拽绳110卷绕拖拽绳绞盘111，拖拽绳110的尾部即末端设有套环18，弹性阻尼器19设置在拖拽绳110和套环18之间。套环18优选自动锁闭套环，通过套环电机18-3实现自动打开与关闭。如图3和图4所示，套环18包括：外环壳体18-2、内环齿条18-1、套环齿轮18-4和套环电机18-3。内环齿条18-1和套环齿轮18-4设置在外环壳体18-2内，该内环齿条18-1和套环齿轮18-4啮合。套环电机18-3带动套环齿轮18-4旋转，进而带动内环齿条18-1旋转。外环壳体18-2为弧形结构。外环壳体18-2的两端均设有套环开口。内环齿条18-1为弧形结构。内环齿条18-1与外环壳体18-2的圆心重合。内环齿条18-1在套环齿轮18-4的带动下，可从一套环开口伸出外环壳体18-2并可从另一套环开口伸入外环壳体18-2。当内环齿条18-1从一套环开口伸出外环壳体18-2并从另一套环开口伸入外环壳体18-2时，内环齿条18-1与外环壳体18-2形成完整的环状结构，套环18为闭环状态。套环18从闭环状态转成开环状态时，只需要内环齿条18-1旋转进入外环壳体18-2内，使得外环壳体18-2与内环齿条18-1组成的结构为弧形结构即可。

弹性阻尼器19设置在拖拽绳110和套环18之间，可以设置成与套环18一体成型。如图5所示，弹性阻尼器19包括拉杆19-1、第一单向阻尼油阀19-2、第一压簧19-3、第二单向阻尼油阀19-4、活塞19-5、第二压簧19-6、内容器进出气口19-7、外容器进出气口19-8、内容器19-9、油环活塞19-10、外容器19-11、器体19-12和注油阀19-13。

器体19-12内为内容器19-9和外容器19-11，外容器19-11包围内容器19-9。活塞19-5设置在内容器19-9内。器体19-12为圆柱体结构，一端设有一拉杆通道。器体19-12上设有向外容器19-11注油的注油阀19-13，注油阀19-13靠近拉杆通道。拉杆19-1的一端通过该拉杆通道伸入空腔内与活塞19-5固定连接。通过拉杆19-1拉动活塞19-5，使得活塞19-5可在空腔内滑动。第一压簧19-3设置在开口与活塞19-5之间。油环活塞19-10设置在外容器19-11的中部，一侧靠近拉杆通道，一侧远离拉杆通道。在油环活塞19-10靠近拉杆通道的一侧，内容器19-9与外容器19-11之间设有第一单向阻尼油阀19-2和第二单向阻尼油阀19-4。第一单向阻尼油阀19-2供油从外容器19-11向内容器19-9单向流动。第二单向阻尼油阀19-4供油从内容器19-9向外容器19-11单向流动。在油环活塞19-10远离拉杆通道的一侧，设有第二压簧19-6，第二压簧19-6的一端与油环活塞19-10固定连接，带动油环活塞19-10在外容器19-11内滑动，另一端固定连接在外容器19-11上。在油环活塞19-10远离拉杆通道的一侧，还设有连接内容器19-9与外容器19-11的内容器进出气口19-7、连接外容器19-11与外部的外容器进出气口19-8。在外容器19-11内，油环活塞19-10靠近拉杆通道的一侧为液压油，另一侧为空气。在内容器19-9内，活塞19-5靠近拉杆通道的一侧为液压油，另一侧为空气。

弹性阻尼器19的工作原理：

当弹性阻尼器19受拉力时：拉杆19-1拉动活塞19-5逐渐靠近拉杆通道，活塞19-5压缩第一压簧19-3，活塞19-5的滑动压缩液压油使得液压油通过第二单向阻尼油阀19-4进入外容器19-11，进入外容器19-11的液压油挤压油环活塞19-10，油环活塞19-10压缩第二压簧19-6，内容器进出气口19-7吸入空气。

当弹性阻尼器19不受拉力时：第一压簧193释放压力，活塞195逐渐远离拉杆通道，第二压簧19-6释放压力，推动油环活塞19-10向拉杆通道靠近，液压油通过第一单向阻尼阀门19-2从外容器19-11进入内容器19-9，内容器19-9的空气通过内容器进出气口19-7排出。

第一观察器16固定在吊舱113的后部，用于拖拽飞艇1和平流层飞艇2之间的相对位置，还用于观察套环18与闭锁器28相对位置，确定套环18是否成功与闭锁器28锁紧或解除连接。

拖拽飞艇头锥12固定在拖拽飞艇1的气囊14的前部，并位于气囊14的中心轴上。如图6所示，拖拽飞艇航向矢量推进系统11固定在拖拽飞艇头锥12的前部，用于调整拖拽飞艇1的航向。如图7所示，从侧面看拖拽飞艇航向矢量推进系统11，拖拽飞艇航向矢量推进系统11包括第一航向推进螺旋桨11-1、第一航向推进电机11-2、第一航向矢量旋转电机11-3、第一蜗杆11-4、第一蜗杆支撑件11-5、第一涡轮11-6、第一轴承、第一安装平台11-8、第一涡轮轴11-7。第一航向推进螺旋桨11-1与第一航向推进电机11-2固定连接。第一航向推进电机11-2与第一涡轮11-6的一侧固定连接，第一涡轮11-6的另一侧与第一涡轮轴11-9固定连接，第一涡轮轴11-7通过第一轴承与第一安装平台11-8连接。第一涡轮轴11-7与气囊14的中心轴垂直，当拖拽飞艇1水平飞行时，第一涡轮轴11-7竖直设置，第一涡轮11-6水平设置。第一涡轮11-6和第一蜗杆11-4形成涡轮蜗杆付，第一蜗杆支撑件11-5的下方与第一安装平台11-8固定连接，上方支撑第一蜗杆11-4；第一蜗杆11-4的一端与第一航向矢量旋转电机11-3连接，第一航向矢量旋转电机11-3与第一安装平台11-8固定连接，在第一航向矢量旋转电机11-3的带动下使第一涡轮11-6转动，从而使得第一航向推进电机11-2以第一涡轮轴11-7为轴转动，进而通过第一航向推进螺旋桨11-1调整航向。

拖拽飞艇局部加固框15固定在气囊14的外部，如图8所示，通过蝴蝶结114和绑扎绳115进行固定，每个蝴蝶结114对应一根绑扎绳115，每两个蝴蝶结114分别设置在拖拽飞艇局部加固框15的两侧并固定在气囊14的外表面，绑扎绳115的一端与一个蝴蝶结114绑扎，另一端与另一根绑扎绳115绑扎。多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13对称地设置在气囊14的两侧，并与拖拽飞艇局部加固框15固定连接，拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13用于调整拖拽飞艇1的俯仰姿态和/或推进拖拽飞艇1前进。如图9所示，俯视拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13，其结构与拖拽飞艇航向矢量推进系统11类似。拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13包括第一俯仰推进螺旋桨13-1、第一俯仰推进电机13-2、第一俯仰矢量旋转电机13-3、第二蜗杆13-4、第二蜗杆支撑件13-5、第二涡轮13-6、第二轴承、第二安装平台13-8和第二涡轮轴13-7。第一俯仰推进螺旋桨13-1与第一俯仰推进电机13-2固定连接。第一俯仰推进电机13-2与第二涡轮13-9的一侧固定连接，第二涡轮13-6的另一侧与第二涡轮轴13-7固定连接，第二涡轮轴13-7通过第二轴承与第二安装平台13-8连接。第二涡轮轴13-7与气囊14的中心轴垂直，当拖拽飞艇1水平飞行时，第二涡轮轴13-7水平设置，第二涡轮13-6竖直设置且该第二涡轮13-6所在平面与气囊14的中心轴平行。第二涡轮13-6和第二蜗杆13-4形成涡轮蜗杆付，第二蜗杆支撑件13-5的一端与第二安装平台13-8固定连接，另一端支撑第二蜗杆13-4；第二蜗杆13-4的一端与第一俯仰矢量旋转电机13-3连接，第一俯仰矢量旋转电机13-3与第二安装平台13-8固定连接，在第一俯仰矢量旋转电机13-3的带动下使第二涡轮13-6转动，从而使得第一俯仰推进电机13-2以第二涡轮轴13-7为轴转动，进而通过第一俯仰推进螺旋桨13-1调整俯仰姿态。

本方案的拖拽飞艇1，前部的拖拽飞艇航向矢量推进系统11控制航向，两侧的拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13调整俯仰姿态，将位于拖拽飞艇尾锥116后部的拖拽绳110释放，可与平流层飞艇进行连接，并可将平流层飞艇牵引至回收区域。

根据本发明的第二个具体实施方式，本发明提供一种平流层飞艇2，如图1和图2所示，图1位于右下方的飞艇为平流层飞艇2，该平流层飞艇2可被拖拽飞艇1牵引至回收区域。平流层飞艇2包括：平流层飞艇航向矢量推进系统21、平流层飞艇尾锥22、多个平流层飞艇侧推系统23、多个平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24、外囊体25、平流层飞艇头锥26、第二观察器27和闭锁器28。

平流层飞艇头锥22固定在外囊体25的前部，并位于外囊体25的中心轴上。闭锁器28固定在平流层飞艇头锥26的前部，用于与第一个实施方式的拖拽飞艇1的套环18锁紧或解除连接。闭锁器28优选自动锁闭器。自动锁闭套环可套入或解除套入该自动锁闭器。闭锁器28为单抓钩或多抓钩。如图10和图11所示，闭锁器28包括：锁紧器平台28-8、锁舌齿轮28-6、锁舌齿条28-5、锁钩齿轮、锁钩构件28-3、锁钩电机28-7、锁舌电机28-4。锁紧器平台28-8设有一凹槽28-8A及一腔室28-8B，该凹槽28-8A的壁上设有一连通该腔室28-8B的开口28-8C。锁舌齿轮28-6设置在腔室28-8B内，包括第一齿轮本体、第一连接件和第一轴承。第一连接件与锁紧器平台28-8固定连接，第一连接件通过第一轴承与第一齿轮本体连接。第一齿轮本体与锁舌齿条28-5啮合。锁舌齿条28-5设置在腔室28-8B内，在锁舌齿轮28-6的带动下可通过开口28-8C伸出腔室28-8B至凹槽28-8A内。锁钩齿轮固定连接在锁紧器平台28-8的外侧。锁钩齿轮包括锁钩主动齿轮28-1、锁钩从动齿轮28-2。锁钩主动齿轮28-1包括第二齿轮本体、第二连接件和第二轴承。第二连接件与锁紧器平台28-8固定连接，第二连接件通过第二轴承与第二齿轮本体连接。锁钩从动齿轮28-2包括第三齿轮本体、第三连接件和第三轴承。第三连接件与锁紧器平台28-8固定连接，第三连接件通过第三轴承与第三齿轮本体连接。第二齿轮本体与第三齿轮本体啮合，进而实现锁钩主动齿轮28-1与锁钩从动齿轮28-2啮合。锁钩齿轮优选地固定在锁紧器平台28-8的上方。锁钩构件28-3为条形结构，包括第一弧段28-3A和第二弧段28-3B。第一弧段28-3A和第二弧段28-3B均包括第一端和第二端。套环18的直径(即内环齿条12-2和外环壳体12-1的直径)大于第二弧段28-3B，使得套环18可从第二弧段28-3B套入闭锁器22。第一弧段28-3A的第一端与锁钩齿轮的锁钩从动齿轮28-2的第三齿轮本体固定连接，第一弧段28-3A的第一端远离第三齿轮本体的圆心，设置在第三齿轮本体的边缘附近。第一弧段28-3A的第二端与第二弧段28-3B的第一端固定连接，第一弧段28-3A与第二弧段28-3B一体成型，第一弧段28-3A长于第二弧段28-3B。第一弧段28-3A的第二端向凹槽方向延伸，第二弧段28-3B的大小小于凹槽28-8A，使得锁钩齿轮旋转时可带动第一弧段28-3A的第二端以及第二弧段28-3B远离或伸入凹槽28-8A内；当第二弧段28-3B伸入凹槽28-8A内时，锁舌齿条28-5高于第二弧段28-3B的第二端，第二弧段28-3B的第二端比第一端更接近开口28-8C。锁钩电机28-7带动锁钩主动齿轮28-1旋转。锁舌电机28-4带动锁舌齿轮28-6旋转。如图10和图11所示，锁钩齿轮与腔室28-8B均位于凹槽28-8A的同一侧。当该闭锁器28锁紧时，锁舌齿条28-5伸至凹槽28-8A内直至卡住锁钩构件28-3的第二弧段28-3B，使得锁紧器平台28-8、锁钩齿轮、锁钩构件28-3和锁舌齿条28-5形成闭环，实现上锁。如图9和图10所示，为单抓钩的结构，即锁钩构件28-3为一个。可以设置多抓钩结构，及锁钩构件28-3为多个，多个锁钩构件28-3以第一弧段28-3A与锁钩齿轮的连接点为圆心形成扇形结构，更有利于抓取套环18。

当需要连接空中的拖拽飞艇1和平流层飞艇2时，如图3所示，套环18为关闭状态，如图11所示，闭锁器22为开锁状态，锁舌齿条28-5位于腔室28-8B内。将套环18从第二弧段28-3B处套入，套入后由于第二弧段28-3B为弧形，可钩住套环18防止套环18脱离。锁钩电机28-7带动锁钩主动齿轮28-1旋转，锁钩主动齿轮28-1带动锁钩从动齿轮28-2旋转。锁钩从动齿轮28-2顺时针旋转，使得第一弧段28-3A的第二端以及第二弧段28-3B靠近凹槽28-8A，直至伸入凹槽28-8A内；然后锁舌电机28-4带动锁舌齿轮28-6旋转，锁舌齿轮28-6顺时针旋转带动锁舌齿条28-5从腔室28-8B内通过开口28-8C伸至凹槽28-8A，直至卡住锁钩构件28-3的第二弧段28-3B，如图10所示，使得紧器平台28-8、锁钩齿轮的锁钩从动齿轮28-2、锁钩构件28-3和锁舌齿条28-5形成闭环，套环18套在锁钩构件28-3上，实现拖拽飞艇1和平流层飞艇2在空中的连接。

当需要解除空中的拖拽飞艇1和平流层飞艇2的连接时，如图10所示，闭锁器22为闭锁状态，如图3所示，套环18为关闭状态。由于闭锁器22的第二弧段28-3B为钩状，套环18很难在空中从第二弧段28-3B中脱离。因此，需要脱离时，套环18的套环电机18-3带动套环齿轮18-4旋转，内环齿条18-1收进外环壳体18-2内，整个套环18由圆环形变成弧形，如图4所示，套环18为打开状态，锁钩构件28-3通过套环18下方的缺口解除与套环18的连接，从而实现拖拽飞艇1和平流层飞艇2的脱离。

第二观察器27固定在外囊体25前部的上方，用于观察拖拽飞艇1和平流层飞艇2之间的相对位置，还用于观察套环18与闭锁器28相对位置，确定套环18是否成功与闭锁器28锁紧或解除连接。

平流层飞艇尾锥22固定在平流层飞艇的外囊体25的后部，并位于外囊体25的中心轴上。平流层飞艇航向矢量推进系统21固定在平流层飞艇尾锥22的后部，用于调整平流层飞艇2的航向。平流层飞艇航向矢量推进系统21的结构与拖拽飞艇航向矢量推进系统11的结构类似，只是一个设置在飞艇的后部，一个设置在飞艇的前部，均是用于调整飞艇的航向。参考图7，平流层飞艇航向矢量推进系统21包括第二航向推进螺旋桨、第二航向推进电机、第二航向矢量旋转电机、第三蜗杆、第三蜗杆支撑件、第三涡轮、第三轴承、第三安装平台、第三涡轮轴。第二航向推进螺旋桨与第二航向推进电机固定连接。第二航向推进电机与第三涡轮的一侧固定连接，第三涡轮的另一侧与第三涡轮轴固定连接，第三涡轮轴通过第三轴承与第三安装平台连接。第三涡轮轴与外囊体的中心轴垂直，当平流层飞艇2水平飞行时，第三涡轮轴竖直设置，第三涡轮水平设置。第三涡轮和第三蜗杆形成涡轮蜗杆付，第三蜗杆支撑件的下方与第三安装平台固定连接，上方支撑第三蜗杆；第三蜗杆的一端与第二航向矢量旋转电机连接，第二航向矢量旋转电机与第三安装平台固定连接，在第二航向矢量旋转电机的带动下使第三涡轮转动，从而使得第二航向推进电机以第三涡轮轴为轴转动，进而通过第二航向推进螺旋桨调整航向。

平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24也是通过局部加固框与外囊体25连接，连接方式参考拖拽飞艇1。多个平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24分别设置在平流层飞艇2的前部的两侧并远离平流层飞艇2的质心，能够省力地调节平流层飞艇2的俯仰姿态。平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24与拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统13的结构类似，参考图9，平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24包括第二俯仰推进螺旋桨、第二俯仰推进电机、第二俯仰矢量旋转电机、第四蜗杆、第四蜗杆支撑件、第四涡轮、第四轴承、第四安装平台和第四涡轮轴。第二俯仰推进螺旋桨与第二俯仰推进电机固定连接。第二俯仰推进电机与第四涡轮的一侧固定连接，第四涡轮的另一侧与第四涡轮轴固定连接，第四涡轮轴通过第四轴承与第四安装平台连接。第四涡轮轴与外囊体25的中心轴垂直，当平流层飞艇2水平飞行时，第四涡轮轴水平设置，第四涡轮竖直设置且该第四涡轮所在平面与外囊体25的中心轴平行。第四涡轮和第四蜗杆形成涡轮蜗杆付，第四蜗杆支撑件的一端与第四安装平台固定连接，另一端支撑第四蜗杆；第四蜗杆的一端与第二俯仰矢量旋转电机连接，第二俯仰矢量旋转电机与第四安装平台固定连接，在第二俯仰矢量旋转电机的带动下使第四涡轮转动，从而使得第二俯仰推进电机以第四涡轮轴为轴转动，进而通过第二俯仰推进螺旋桨调整俯仰姿态。

多个平流层飞艇侧推系统23分别位于外囊体25的两侧，可以设置一对或多对平流层飞艇侧推系统23，每对平流层飞艇侧推系统23分别连接在平流层飞艇2的中部或后部的两侧，用于提供飞艇向前飞行的动力。如图7所示，平流层飞艇侧推系统23包括侧推螺旋桨23-1、侧推电机23-2和第五安装平台23-3。侧推电机23-2与侧推螺旋桨23-1连接，提供侧推螺旋桨23-1旋转的动力。侧推电机23-2固定在第五安装平台23-3上。

本方案的平流层飞艇2，后部的平流层飞艇航向矢量推进系统21控制航向，两侧的平流层飞艇俯仰矢量侧推系统24调整俯仰姿态，前部的闭锁器28能够与拖拽飞艇1固定连接，可被拖拽飞艇1牵引至回收区域。

根据本发明的第三个具体实施方式，本发明提供一种控制平流层飞艇返场降落的系统，如图1和图2，该系统包括：拖拽飞艇1、综合指挥系统3、固定在平流层飞艇2前部的闭锁器28。

综合指挥系统3与拖拽飞艇1、平流层飞艇2及闭锁器28通讯地连接，用于控制拖拽飞艇1、平流层飞艇2及闭锁器28实现平流层飞艇2返场降落。

拖拽飞艇1可以是有人控制，也可以是无人智能控制。如果为无人智能控制，则全由综合指挥系统3直接控制。

根据本发明的第四个具体实施方式，本发明提供一种平流层飞艇返场降落方法，采用第三个实施方式的系统，包括以下步骤：

步骤S1：将平流层飞艇2下降至指定高度即中低空空域。此时平流层飞艇2在运行、下降的过程中为了保形，已经耗费了非常多的能量，下到中低空空域时能量已不足以控制平流层飞艇2直接行驶至预定回收区域。

中低空空域在海平面地区可以定为绝对高度3000米左右，高原地区例如海拔3000米以上地区可以定位离地面绝对高度1000米左右。中低空空域是以安全捕捉并安全返回为准则。

步骤S2：如图1所示，将拖拽飞艇1行驶至平流层飞艇2的前方并高于平流层飞艇。

拖拽飞艇1接近平流层飞艇2时，需要通过综合指控系统3监控拖拽飞艇1与平流层飞艇2的相对位置以便操控人员操纵拖拽飞艇1接近平流层飞艇2的相对安全位置。

综合指控系统3通过当地气象预报数据做预判，规划并控制拖拽飞艇1提前进入平流层飞艇2下降的中低空空域，然后再接近平流层飞艇2的前方并高于平流层飞艇2。

步骤S3：调整拖拽飞艇和平流层飞艇的速率和高度，将拖拽绳垂直向下释放，使套环18与闭锁器28锁紧，停止释放拖拽绳。

转动拖拽绳绞盘111垂直释放拖拽绳110，通过第一观察器17和第二观察器27观察拖拽绳110的释放状态及套环18的锁紧状态，并将第一观察器17和第二观察器27观察拍摄到的视频传输给综合指控系统3，通过综合指控系统3指挥拖拽飞艇1调整航向偏转角及转速、俯仰偏转角及转速、拖拽绳110的释放速度(即为拖拽绳绞盘111的转速)及长度，使套环18与闭锁器28连接。拖拽绳110的释放速度太快容易损伤飞艇囊体结构和太阳能电池，需要通过拖拽飞艇1与平流层飞艇2之间的相对位置确定拖拽绳110的释放长度。套环18为自动锁闭套环，闭锁器28为自动锁闭器。套环18与闭锁器28连接的方法包括：打开闭锁器28的抓钩(即锁钩构件28-3)，套环18套入闭锁器28的抓钩，关合抓钩28-3(即锁舌齿条28-5卡住锁钩构件28-3)。综合指控系统3通过拍摄的视频数据确认拖拽飞艇1捕获平流层飞艇2成功后，锁定拖拽绳绞盘111使拖拽绳110长度固定。

步骤S4：控制拖拽飞艇1牵引平流层飞艇2向预定回收区域飞行。

开启吊舱拖拽推进系统112、拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统11、拖拽飞艇航向矢量推进系统11，控制拖拽飞艇系统的航速、姿态角以及悬停高度牵引平流层飞艇2向预定回收区域飞行。

在牵引的初始阶段，拖拽飞艇1行驶至平流层飞艇2的正前方。拖拽绳110拉直绷紧后，有弹性阻尼器19吸收瞬间的拖拽绳110拉力冲击动能保护拖拽飞艇1和平流层飞艇2的结构。

在牵引的初始阶段之后，通过开启平流层飞艇航向矢量推进系统21、平流层飞艇侧推系统23、平流层飞艇俯仰矢量侧推系统，如图2所示，调整平流层飞艇2的航向偏转角及俯仰角使得平流层飞艇2与拖拽飞艇1在同一高度。

在牵引的过程中，拖拽飞艇1的最大推力必须大于等于拖拽系数ξ乘以平流层飞艇2在所在高度的阻力之积与拖拽飞艇1在所在高度的阻力之和。计算公式如下：

F_t≥(F_t1+ξF_t2)

式中符号：

F_t：拖拽飞艇的总推力；

F_t1：拖拽飞艇单飞时的推力；

F_t2：平流层飞艇单飞时所需推力；

ξ：拖拽系数；

D_h：拖拽作业海拔高度空气密度；

C_d1h：拖拽飞艇在拖拽作业海拔高度的空气阻力系数；

C_d2h：平流层飞艇在拖拽作业海拔高度的空气阻力系数；

V₁：拖拽飞艇体积；

V₂：平流层飞艇飞艇体积；

v₁：拖拽飞艇在拖拽作业海拔高度的拖拽飞行空速；

v₂：平流层飞艇在拖拽作业海拔高度的拖拽飞行空速。

优选地，拖拽系数ξ大于等于1.1。

步骤S5：到达预定回收区域后，综合指控系统3控制拖拽飞艇1和平流层飞艇2保持同一高度下降，直至到达指定高度(可自由安全下降的高度即中低空空域)及指定回收点，解除套环18和闭锁器28的连接，接触拖拽飞艇1和平流层飞艇2的牵引状态，拖拽飞艇1和平流层飞艇2脱离，回收平流层飞艇2，同时回收拖拽飞艇1。

解除套环18和闭锁器28的连接的方法包括：打开套环18，使抓钩(锁钩构件28-3)脱离套环18。

通过本方案，通过在空中牵引远离艇库且几乎耗尽动力能源的平流层飞艇2安全返场，解决了地面运输需要超大规模运输载具以及必须具备能够通行这些超大规模运输载具道路的问题，也解决了损毁平流层飞艇2的问题。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施例。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

将平流层飞艇下降至指定高度；

将拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇；该拖拽飞艇包括气囊、固定在气囊尾部的拖拽飞艇尾锥、固定连接在拖拽飞艇尾锥后部可向下伸出的拖拽绳、套环，该套环设置在拖拽绳的末端；该平流层飞艇的前部设有可与套环锁紧或解除连接的闭锁器；

调整拖拽飞艇和平流层飞艇的速率和高度，将拖拽绳垂直向下释放，使套环与闭锁器锁紧，停止释放拖拽绳；

控制拖拽飞艇牵引平流层飞艇向预定回收区域飞行；

到达预定回收区域后，解除套环和闭锁器的连接，回收平流层飞艇。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述将拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇的方法包括：

综合指控系统通过当地气象预报数据做预判，规划并控制拖拽飞艇提前进入平流层飞艇下降的中低空空域，然后再接近平流层飞艇的前方并高于平流层飞艇。

3.根据权利要求1所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述使套环与闭锁器锁紧的方法包括：

通过综合指控系统指挥拖拽飞艇调整航向偏转角及转速、俯仰偏转角及转速、拖拽绳的释放速度及长度，使套环与闭锁器连接。

4.根据权利要求3所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述使套环与闭锁器连接的方法包括：打开闭锁器的抓钩，套环套入闭锁器的抓钩，关合抓钩；

所述接触套环和闭锁器的连接的方法包括：打开套环，使抓钩脱离套环。

5.根据权利要求1所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述控制拖拽飞艇牵引平流层飞艇向预定回收区域飞行的方法包括：

在牵引的初始阶段，拖拽飞艇行驶至平流层飞艇的正前方；

在牵引的初始阶段之后，调整平流层飞艇的航向偏转角及俯仰偏转角使得平流层飞艇与拖拽飞艇在同一高度。

6.根据权利要求1所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述解除套环和闭锁器的连接之前，还包括：

综合指控系统控制拖拽飞艇和平流层飞艇保持同一高度下降，直至到达指定高度及指定回收点。

7.根据权利要求1所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述拖拽飞艇还包括：拖拽飞艇航向矢量推进系统、拖拽飞艇头锥；所述拖拽飞艇头锥固定在拖拽飞艇的气囊前部，并位于气囊的中心轴上；所述拖拽飞艇航向矢量推进系统固定在拖拽飞艇头锥的前部，用于调整拖拽飞艇的航向；

所述拖拽飞艇航向矢量推进系统包括第一航向推进螺旋桨、第一航向推进电机、第一航向矢量旋转电机、第一蜗杆、第一蜗杆支撑件、第一涡轮、第一轴承、第一安装平台、第一涡轮轴；

所述第一航向推进螺旋桨与第一航向推进电机固定连接；

所述第一航向推进电机与第一涡轮的一侧固定连接，第一涡轮的另一侧与第一涡轮轴固定连接，第一涡轮轴通过第一轴承与第一安装平台连接，第一涡轮轴与气囊的中心轴垂直；

第一涡轮和第一蜗杆形成涡轮蜗杆付，第一蜗杆支撑件的下方与第一安装平台固定连接，上方支撑第一蜗杆；第一蜗杆的一端与第一航向矢量旋转电机连接，第一航向矢量旋转电机与第一安装平台固定连接，在第一航向矢量旋转电机的带动下使第一涡轮转动。

8.根据权利要求7所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述拖拽飞艇还包括拖拽飞艇局部加固框、多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统；所述拖拽飞艇局部加固框固定在气囊的外部，多个拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统设置在气囊的两侧，并与拖拽飞艇局部加固框固定连接，拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统用于调整拖拽飞艇的俯仰姿态和/或推进拖拽飞艇前进；

所述拖拽飞艇俯仰矢量侧推系统包括第一俯仰推进螺旋桨、第一俯仰推进电机、第一俯仰矢量旋转电机、第二蜗杆、第二蜗杆支撑件、第二涡轮、第二轴承、第二安装平台和第二涡轮轴；

所述第一俯仰推进螺旋桨与第一俯仰推进电机固定连接；

所述第一俯仰推进电机与第二涡轮的一侧固定连接，第二涡轮的另一侧与第二涡轮轴固定连接，第二涡轮轴通过第二轴承与第二安装平台连接，第二涡轮轴与气囊的中心轴垂直；

第二涡轮和第二蜗杆形成涡轮蜗杆付，第二蜗杆支撑件的一端与第二安装平台固定连接，另一端支撑第二蜗杆；第二蜗杆的一端与第一俯仰矢量旋转电机连接，第一俯仰矢量旋转电机与第二安装平台固定连接，在第一俯仰矢量旋转电机的带动下使第二涡轮转动。

9.根据权利要求7所述的平流层飞艇返场降落方法，其特征在于，所述拖拽飞艇还包括固定在气囊下方的吊舱、多个吊舱拖拽推进系统，多个吊舱拖拽推进系统分别固定在吊舱的两侧。

10.一种控制平流层飞艇返场降落的系统，其特征在于，包括：

拖拽飞艇、综合指控系统、固定在平流层飞艇前部的闭锁器；

综合指控系统与拖拽飞艇、平流层飞艇及闭锁器通讯地连接，根据权利要求1-9中任一项的方法控制拖拽飞艇、平流层飞艇及闭锁器实现平流层飞艇返场降落。

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