CN204173153U - 无人浮空器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高效长航时无人浮空器系统，包括弹头部(1)，杆体段(2)和推进段(3)。其中弹头部(1)包括形状相同的两片中空的壳体(4)和气囊(5)，杆体段(2)包括中空的圆柱体状中心杆体(14)、三个杆体外板(8)、三个杆体外板连接机构(9)、凹槽形螺旋桨舱(10)、从螺旋桨舱(10)伸出的杆状螺旋桨杆(11)、双叶螺旋桨(12)和内部设备(13)，推进段(3)是一个内含燃料的火箭助推器。该系统可以实现对局部区域长时间的信息收集与传递。

Description

无人浮空器系统

技术领域

本实用新型涉及无人飞行器领域，具体涉及一种利用浮空器原理实现无人机的信息收集和通信功能的高效长航时无人浮空器系统。

背景技术

近年来，随着无人机技术和平台的发展，无人机逐渐向多任务方向发展，在很多领域发挥了重要和不可替代的重要作用。现有民用无人机主要集中在小型航模及小型旋翼飞行器上，因为效能有限，它们并不适合、也不能满足现今迅速增长的民用无人机需求。

由于无人机体积和动力有限，携带的燃料也很有限，所以续航时间不够理想，由此影响到无人机的核心能力，即信息收集能力。虽然也有无人机通过采用超大展弦比机翼，并在其机翼上方铺设太阳能电池板，兼有数台航空电机交叉工作以提供持续不断的动力，但其能源仍然入不敷出，并且这样的结构使得无人机的机动性受到了很大的限制。

为增加无人机的续航时间，需要尽可能减轻无人机的重量，因此飞机材料及各种机载设备就要采用大量高强度、低密度的高级复合材料。此外，无人机普遍采用先进的全电式控制系统，这些会增加无人机维护维修的难度及费用。目前无人机的采购情况明显和其发展投入不成正比，低采购数量导致无人机的单价居高不下。因此，从整体上看无人机的效费比较低。

实用新型内容

为了克服技术不足，本实用新型提供一种浮空器系统，无人浮空器系统，包括弹头部1，杆体段2和推进段3，其中：

(1)弹头部1包括形状相同的两片中空的壳体4和气囊5，其中：

壳体4横截面为半圆型，当壳体4处于拼接状态时，通过头部壳体连接机构15将两片壳体4固定拼接在一起，壳体4内部的中空腔用于存放充气前的气囊5，当气囊5充气并迅速膨胀时，两壳体4分开；两片壳体4拼接后直径12-16厘米，长38-42厘米，厚度0.3-0.6厘米，壳体4的材料选用耐高温的一次性复合材料；气囊5采用层压材料，由靠近外部大气的防老化层、中间胶粘层和靠近气囊内部氦气的阻气层组成；

(2)杆体段2包括中空的圆柱体状中心杆体14、三个杆体外板8、三个杆体外板连接机构9、凹槽形螺旋桨舱10、从螺旋桨舱10伸出的杆状螺旋桨杆11、双叶螺旋桨12和内部设备13，其中

杆体外板8与中心杆体14之间的连接是通过杆体外板8上的锁钩16与中心杆体14上的锁芯17锁定的，锁钩16与锁芯17组合起来构成外板连接机构9；在无人浮空器系统未展开时，三片圆弧角度分别为120度的杆体外板8刚好覆盖在中心杆体14上，保护螺旋桨舱10内的双叶螺旋桨12，每个杆体外板8长度为60-80厘米，厚度为0.3-0.6厘米，杆体外板8的材料选用耐高温的一次性复合材料；

中心杆体14的长度与杆体外板8的长度一致，三个螺旋桨舱10沿圆周方向均匀布置，每个螺旋桨舱10呈截面为长方形的槽状，从中心杆体14凹进，在每个螺旋桨舱10内配置一个与其形状相适应的双叶螺旋桨12，螺旋桨舱10长30-40厘米，宽3-6厘米，深2-8厘米，螺旋桨杆11的一端与螺旋桨舱10连接，另一端与双叶螺旋桨12固定连接，螺旋桨杆11可伸缩，每个螺旋桨杆11长6-10厘米，每个双叶螺旋桨12直径30-35厘米，在中心杆体14的中空内部安装内部设备13，内部设备13包括气体抽放系统803、控制系统804、通信系统805、机载设备系统807、高能蓄电池和高度传感器；

其中通过紧固装置将气囊5的气囊接口固连至杆体段2的上端面内侧；

(3)推进段3是一个内含燃料的火箭助推器，在助推器尾部沿圆周方向均匀分布四个与无人浮空器系统轴线平行的梯形安定面，推进段3的直径与杆体段2相同，推进段3的长度为20-40cm，其中

通过中心杆体14上的舵机18和推进段3顶部的卡槽19实现推进段3与杆体段2的卡槽连接。

在本发明的一个实施例中，头部壳体连接机构15由锁钩6和锁芯7组成，锁钩6和锁芯7相向的一端可扣在一起形成扣紧的拼接配合，相反的一端分别固定连接到两片壳体4的大约中段内壁上。

在本发明的一个实施例中，弹头部1的两片壳体4拼接后直径为14厘米，长度为40厘米，厚度为0.5厘米，壳体4选用碳纤维复合材料；气囊5的防老化层选用聚氟乙烯，阻气层选用聚醋薄膜。

在本发明的一个实施例中，弹头部1的两片壳体4拼接后直径为14厘米，长度为40厘米，厚度为0.5厘米，壳体4选用环氧树脂复合材料；气囊5的防老化层选用聚氟乙烯，阻气层选用聚醋薄膜。

在本发明的一个实施例中，杆体段2的每个杆体外板8长度为70厘米，厚度为0.5厘米，杆体外板8选用碳纤维复合材料；螺旋桨舱10长34厘米，宽4厘米，深4厘米；双叶螺旋桨12直径32厘米。

在本发明的另一个实施例中，杆体段2的每个杆体外板8长度为70厘米，厚度为0.5厘米，杆体外板8选用环氧树脂复合材料；螺旋桨舱10长34厘米，宽4厘米，深4厘米；双叶螺旋桨12直径32厘米。

在本发明的一个实施例中，推进段3的长度为30cm。

本发明的无人浮空器系统，由浮力系统801、动力系统802、气体抽放系统803、控制系统804、通信系统805、能源系统806等组成，其中

浮力系统801，其由一个充气时直径3-5米的弹性气囊5组成，气囊中可充入氦气；

动力系统802，其包括推进段3和位于螺旋桨舱10内的三组双叶螺旋桨12；动力系统802和浮力系统801一起用于控制系统的垂直方向与水平方向的运动；

气体抽放系统803位于杆体段2内部的内部设备13中，主要由流量计22、高压储气瓶23、充气阀门24、抽气阀门25，抽气机匣26和增压器27组成；充气时，高压储气瓶23内存储高压氦气，控制系统804控制充气阀门24打开，高压氦气从高压储气瓶23充入气囊5，充气后，控制系统804控制充气阀门24关闭；放气时，抽气阀门25打开，抽气机匣26进行抽气，气囊5内的气体被抽进增压器27，在增压器27内增压后充进高压储气瓶23；

控制系统804，其主要由微型机载计算机组成，位于杆体段2内部的内部设备13中，用于控制各系统协同工作；

通信系统805，其由接收天线与通信雷达组成，位于杆体段2内部的内部设备13中，用于与中继卫星进行实时数据交流，也可与其他终端设备进行数据交流；

能源系统806，其由位于气囊5表面的太阳能电池薄膜及内部设备13中的高能蓄电器组成，负责电能的获取与存储。

在本发明的一个实施例中，无人浮空器系统还可包括机载设备系统807，其位于杆体段2内部的内部设备13中，用于执行任务。

在本发明的一个实施例中，无人浮空器系统还可以不安装弹头部1的两片壳体4和推进段3，在地面通过控制系统804控制气囊5充气，利用气囊5的浮力使简易浮空器升空。

本实用新型的无人浮空器系统能够将浮空器技术与无人机相结合，有效利用浮空器的浮空原理解决现有无人机续航能力较差的弱点，从而实现无人机的超长航时。本实用新型的系统便于携带，使用方便，整体结构简单，材料加工工艺及结构材料要求不高，整体设计均在现有科技水平下进行，宜于推广使用，效费比较高。

附图说明

图1示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统发射型组合体整体外形图；

图2示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统弹头部展开图；

图3示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统头部壳体和杆体外板与系统连接关系的整体图与局部放大图；

图4示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统杆体展开图；

图5示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统推进段外形图；

图6示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统杆体段和推进段连接关系的整体图和局部放大图；

图7示出根据本实用新型实施例的无人浮空器各系统协同工作的原理框图；

图8示出根据本实用新型实施例的无人浮空器气体抽放系统的工作原理框图；

图9示出根据本实用新型实施例的无人浮空器通信系统的工作原理框图；

图10示出根据本实用新型实施例的无人浮空器系统空中展开后的结构图。

具体实施方式

本实用新型提供一种高效长航时无人浮空器系统，可以实现对局部区域长时间的信息收集与传递；可以实现地形勘测，自然灾害监控等。无人浮空器系统结构部分包括弹头部1，杆体段2和推进段3。整体外形图如图1所示。

如图2所示，弹头部1包括形状相同的两片中空的壳体4和气囊5。壳体4横截面为半圆型。当无人浮空器系统未达到空中打开高度时，两片壳体4通过头部壳体连接机构15固定拼接在一起，其中头部壳体连接机构15由带一定杆体长度的锁钩6和锁芯7组成，如图3中左侧的局部放大图所示。锁钩6和锁芯7相向的一端可扣在一起形成扣紧的拼接配合，相反的一端分别固定连接到两片壳体4的大约中段内壁上。在浮空器系统高速向上运动时，气动力的作用方向只沿锁钩6杆体的方向，这种情况是无法将锁解开的，壳体4处于拼接状态，可为浮空器系统高速向上运动过程提供良好的气动外形。壳体4内部的中空腔用于存放充气前的气囊5，在杆体段2临近弹头部1的上端面内侧有一个环形的气囊接口(图中未示出)，如本领域技术人员能够理解的那样，环形气囊接口的形状与杆体段2临近弹头部1的上端面的形状相适应，环形气囊接口的直径优选为5厘米。作为连接气囊开口部分的固定接口，气囊接口与杆体段2临近弹头部1的上端面之间由连接片固定，连接片与气囊接口通过胶粘剂粘合，并利用周向均匀分布的四个螺栓的紧固装置进行加强固定。气囊5与杆体段2之间的连接也可以采用例如汽车安全气囊的气囊连接器完成。当气囊5在控制系统控制下充气并迅速膨胀时，将对锁钩6上产生较大的冲力，力的方向垂直于锁钩6杆体方向，因此很容易将锁钩锁芯分开，两壳体4在气动力和重力作用下随即分开，如图2所示。

弹头部两片壳体4拼接后直径12-16厘米，优选14厘米；长38-42厘米，优选40厘米；厚度0.3-0.6厘米，优选0.5厘米。壳体4的材料选用耐高温的一次性复合材料，例如碳纤维或环氧树脂复合材料；气囊5采用层压材料，该材料由靠近外部大气的防老化层、中间胶粘层和靠近气囊内部氦气的阻气层组成。防老化层选用聚氟乙烯，它不仅在各种酸、碱、溶剂环境下对温度呈现惰性，同时具备其他许多复合材料无法比拟的光化学稳定性。聚醋薄膜具有低渗透率和相对较高的强度及硬度，可作为阻气层的材料。除此之外，还可以选择本领技术人员所知的其他适合的气囊材料。中间胶粘层通过胶粘剂将防老化层和阻气层粘结起来。

无人浮空器系统空中展开后的状态如图4所示，图中示出的是充气后的气囊5和展开状态下的杆体段2。杆体段2包括中空的圆柱体状中心杆体14、杆体外板8(图中为打开状态)、杆体外板连接机构9、凹槽形螺旋桨舱10、从螺旋桨舱10伸出的杆状螺旋桨杆11、工作状态的双叶螺旋桨12和内部设备13。在该状态下，推进段3和弹头部壳体4已经从无人浮空器系统中分离并脱落，此时杆体段2成为无人浮空器系统的主要部分，也称为工作段。

杆体外板8与中心杆体14之间的连接是通过尾部(靠近推进段3)杆体外板8上的锁钩16与中心杆体上的锁芯17锁定的，锁钩16与锁芯17组合起来构成外板连接机构9，其工作原理需结合图3右侧的局部放大图和图6右上角外板连接机构9的局部放大图进行说明，其中图6中的外板连接机构9属于固定状态，外板连接机构9中间的圆柱体是锁芯17，固定在中心杆体14上，锁芯17外侧是锁钩16头部被锁芯17分开的两个表面，此时两个表面是朝上的。图3右侧的局部放大图是锁钩16已经绕锁芯17顺时针转过一定角度的状态，是一个侧视图，此时锁钩16头部被锁芯17分开的两个水平面是朝下的，当锁钩16继续绕锁芯17顺时针转动，到达一定程度，锁钩16与锁芯17分开，杆体外板8与中心杆体14完成分离。由于杆体外板8有三个，所以外板连接机构9也有三个。在发射阶段(即无人浮空器系统未展开时)，三片圆弧角度分别为120度的杆体外板8刚好覆盖在中心杆体14上，为杆体段2保持良好的气动外形，保护螺旋桨舱10内的双叶螺旋桨12。每个杆体外板8长度为60-80厘米，优选70厘米；厚度为0.3-0.6厘米，优选0.5厘米。杆体外板8的材料选用耐高温的一次性复合材料，例如碳纤维或环氧树脂复合材料。

中心杆体14的长度与杆体外板8的长度一致。三个螺旋桨舱10沿圆周方向均匀布置，每个螺旋桨舱10呈截面为长方形的槽状，从中心杆体14凹进，在每个螺旋桨舱10内配置一个与其形状相适应的双叶螺旋桨12，因此共有三个双叶螺旋桨12，螺旋桨舱10长30-40厘米，优选34厘米；宽3-6厘米，优选4厘米；深2-8厘米，优选4厘米。螺旋桨杆11的一端与螺旋桨舱10连接，另一端与双叶螺旋桨12固定连接，螺旋桨杆11在控制系统804的控制下可伸缩。杆体外板8未展开时，螺旋桨杆11可以全部缩回到螺旋桨舱10内，此时双叶螺旋桨12不能超过螺旋桨舱10的深度。杆体外板8展开后，螺旋桨杆11伸出，长6-10厘米，优选8厘米，将双叶螺旋桨12伸出螺旋桨舱10外，每个双叶螺旋桨12直径30-35厘米，优选32厘米，其形状如本领域技术人员所知。在中心杆体14的中空内部安装了内部设备13，内部设备13包括气体抽放系统803、控制系统804、通信系统805、机载设备系统807、高能蓄电池和高度传感器，如下图7所述(图7中未示出高能蓄电池和高度传感器)，各系统协同工作来完成无人浮空器的相应任务。

弹头部壳体4与中心杆体14之间的连接是通过弹头部壳体4尾部(靠近中心杆体段)上的锁钩20与中心杆体14上的锁芯21锁定的，锁钩20与锁芯21组合起来构成弹头部壳体4与中心杆体14的连接机构，其工作原理需结合图3右上角的局部放大图进行说明，图3中示出的是锁钩20已经绕锁芯21顺时针转过一定角度的状态，是一个侧视图。连接机构的原始状态应该是图中状态的锁钩20逆时针旋转到竖直位置的情况，此时弹头部壳体4是处于拼接状态的。当头部壳体连接机构15的锁钩6与锁芯7分开后，两壳体4在气动力和重力作用下随即分开，此时锁钩20就开始绕锁芯21顺时针转动，呈现出图3右上角放大图显示的中间状态，当锁钩20继续顺时针转动到一定程度，锁钩20与锁芯21完全分开，弹头部壳体4与中心杆体14完成分离。由于弹头部壳体有两个，所以弹头部壳体连接机构也有两套。在发射阶段(即无人浮空器系统未展开时)，两片圆弧角度分别为180度的弹头部壳体4刚好覆盖在中心杆体14上端，为弹头部1保持良好的气动外形。

推进段3整体结构如图5所示。推进段3是一个火箭助推器，用于提供起飞时的动力，内含硝酸酯增塑聚醚燃料，或本领域技术人员所知的其他适当的燃料，燃料的多少主要取决于发射到达的高度，在助推器尾部沿圆周方向均匀分布四个梯形安定面，改善发射过程横航向的稳定性。推进段3的直径与杆体段2相同，推进段3的长度为20-40cm，优选30cm。

如图6所示，推进段3与杆体段2的连接是由中心杆体14上的舵机18和推进段3顶部(靠近杆体段2的部分)的双圆环固定卡槽19共同实现的。双圆环固定卡槽19的上部是一个从推进段外壁面向内伸出的较薄的圆环1901，下部是推进段内部的一个平面1902，平面1902下是推进段的内部，所以双圆环固定卡槽19是一个由圆环1901和平面1902夹成的圆环形凹槽。在圆环1901上面的推进段侧壁面圆弧1903刚好把杆体外板8包住，固定住了外板连接机构9，所以推进段3未分离前，杆体外板8一定是固定在中心杆体14上的。中心杆体14上舵机18包括头部1801和尾部1802，尾部1802与中心杆体14相连，头部1801可以进行180°的旋转，通过控制系统804对舵机18的控制使其头部1801旋转180°，将头部1801旋入双圆环固定卡槽19，使推进段3固定，推进段3与杆体段2处于连接状态；解锁时，控制系统804控制中心杆体14的舵机18反方向旋转180°后，舵机18的头部离开双圆环固定卡槽19，推进段3在重力作用下自动脱落，实现推进段3与杆体段2的分离，此时圆环1901上面的侧壁面圆弧1903对杆体外板8和外板连接机构9的包裹作用消失，锁钩16与锁芯17被解锁，在重力和气动力作用下锁钩16沿着锁芯顺时针旋转，到达一定角度后锁钩脱离锁芯，杆体外板8自然脱落。

无人浮空器系统的功能实现主要由浮力系统801、动力系统802、气体抽放系统803、控制系统804、通信系统805、能源系统806等协作完成，可选地，还可包括机载设备系统807。其中气体抽放系统803、控制系统804、通信系统805和机载设备系统807包括在内部设备13中(位于杆体段2内部)。动力系统802包括推进段3和位于螺旋桨舱10内的三组双叶螺旋桨12。能源系统806由位于气囊5表面的太阳能电池薄膜(图中未示出)及内部设备13中的高能蓄电器组成。根据各系统完成任务的职能不同，将6个分系统划分为四个功能模块，其中浮力系统801和动力系统802统称为运动模块，控制系统的垂直方向与水平方向的运动；气体抽放系统803和能源系统806统称为辅助系统；机载设备系统807和通信系统805统称为任务系统，实现监视，通信等功能；控制系统804为控制模块，控制各系统协同工作。这些系统协同工作完成任务的工作原理框图如图7示。

如图2和图5所示，浮力系统801由一个充气时直径3-5米，优选4米的弹性气囊5组成，气囊中可充入氦气。在地面收起状态时，囊内气体抽空便于存放携带，使用时气囊5瞬间充气提供升力。气囊5所提供的升力除克服无人浮空器系统本身重力外，其他全部用于支持无人浮空器系统有效载荷，即机载设备系统807。

如图4-6所示，动力系统802负责为无人浮空器系统的发射和空中巡航飞行提供动力。主要由发射用火箭助推器3和三个双叶螺旋桨12组成。地面发射时，将火箭助推器3安装在浮空器杆体段2下方，置于地面发射器(图中未示出)上进行发射，将无人浮空器系统推升到至少5000米时脱离。三个螺旋桨12在控制系统804控制下为无人浮空器系统提供水平推力。

气体抽放系统803负责无人浮空器系统氦气资源的储存与抽放，其工作原理框图如图8所示。气体抽放系统803主要由流量计22、高压储气瓶23、充气阀门24、抽气阀门25，抽气机匣26和增压器27组成。高压储气瓶23内存储高压氦气，在无人浮空器系统发射至指定高度时，控制系统804控制充气阀门24打开，高压氦气从高压储气瓶23充入气囊5，当气囊5内气体体积达到控制系统804指定体积时(通过流量计22测量)，控制系统804控制充气阀门24关闭。当无人浮空器系统需要降低高度时，抽气阀门25打开，抽气机匣26进行抽气，气囊内的气体被抽进增压器27，在增压器27内增压后充进高压储气瓶23，实现气体循环使用。无人浮空器系统需要增加高度时，使用高压储气瓶23对气囊5再进行充气。

控制系统804主要负责向其他系统发出控制命令，接受并处理其他系统反馈回来的信号。控制系统804主要由微型机载计算机组成。控制系统804根据地面控制命令及任务分配，合理计算规划飞行路线，减少能源消耗，准确控制三个螺旋桨12的协同工作，以达到控制水平飞行方向的目的；通过高度传感器(如上文所述，高度传感器位于中心杆体14的中空内部，图中未示出)的反馈信号，确定无人浮空器系统所在高度，当达到预定高度时，控制系统804控制舵机运动，实现推进段3与杆体段2的分离；控制系统804控制充气阀门24和抽气阀门25打开，利用抽气机匣26及增压器27的工作来调节气囊5内气体体积，进而控制无人浮空器系统的高度；控制系统804根据流量计22的反馈，控制充气阀门24的关闭，保证气囊产生适当的浮力；控制系统804接收能源系统806传来的信号，根据剩余的能源量及所分配的任务合理分配能源使用，并根据任务分配，准确控制各机载设备执行任务操作。

如图9所示意，通信系统805主要由接收天线与通信雷达组成(图中未示出)。通信系统805主要负责与中继卫星进行实时数据交流，也可与自身所控制空域下的其他终端设备进行数据交流。一方面，通信系统805通过与中继卫星进行交流可获得自身所在地理坐标、高度、周边环境、未来天气预报等各种有用信息，也可以实时收到来自地面的控制命令。另一方面，无人浮空器系统可以通过通信系统805、经由中继卫星将所收集到的各种情报及时的发回地面控制中心，保证了控制中心可以在第一时间得到前方的情报资料，确保了情报的时效性。此外，与自身空域下的其他终端设备的数据交流拓展了无人浮空器系统的应用，为单位或私人使用无人浮空器系统提供了可靠途径。可使用本领域技术人员所知的由接收天线与通信雷达组成的通信系统，担负此项功能，不再累述。

能源系统806主要由太阳能电池薄膜及高能蓄电器组成，负责电能的获取与存储，并保障其他用电设备的正常工作。太阳能电池薄膜铺设在气囊5上表面，负责在日间吸收太阳能将其转化成电能并存储进高能蓄电器内，同时遮挡紫外线，以减少设备的老化。夜间，高能蓄电器向其他用电设备提供电能，保证其他用电设备的正常工作。实时向控制系统804反馈所余能源量，供控制系统804合理分配。

可选地，无人浮空器系统可包括机载设备系统807。机载设备系统807可包括多种机载设备(图中未示出)，这些机载设备主要负责执行保障分配任务。无人浮空器系统可根据所执行的任务，选择性地搭载不同的机载设备，如高清摄像头、热成像仪、基于图像分析的全向红外告警器等设备。因为无人浮空器系统载重有限，所以一台无人浮空器系统可以选择性的搭载一台或两台设备，任务需要多种设备协同工作的，可以组合多台无人浮空器系统协同工作。

无人浮空器系统的工作阶段主要分为：升空、空中展开、空中飞行升降、任务执行以及降落回收。

升空，可采取两种不同的升空模式。一种是不安装弹头部1的两片壳体4和推进段3(此时的无人浮空器可称为“简易浮空器”)，在地面通过控制系统804控制气囊5充气，利用气囊5的浮力使简易浮空器升空。这种方法简单方便，不需要火箭助推器，减少了发射成本，缺点是升空速度较慢，但较适合非紧急时刻的使用。另一种是采用完整的无人浮空器系统(即前面提到的系统)，在地面铺设简易的导弹发射架(图中未示出)来引导发射，发射至预设高度时，无人浮空器系统在控制系统804的控制下空中展开。这种方法的优点是升空速度快，可从较远距离处直接发射至目标空域，缺点是需携带和组装弹头部1的两片壳体4、杆体外板8及火箭助推器3，它们都是一次性消耗品，增加了发射成本，适合紧急时刻或应对突发情况时使用。

空中展开。在无人浮空器系统发射升空后，控制系统804通过高度传感器确定自身所在高度，当无人浮空器系统达到指定高度时，控制系统804向推进段3发出信号，控制其熄火并通过舵机18的旋转断开与杆体段2的连接，推进段3分离。推进段3的分离消除了推进段3双圆环固定卡槽19上面的圆弧对杆体段2外板连接机构9的束缚，使得杆体外板8上的锁钩16围绕中心杆体14上的锁芯17进行旋转，此时杆体外板8的展开增加了无人浮空器系统所受阻力，系统的速度降低，减少了无人浮空器系统所受的气体冲击力。旋转90度后，杆体外板8与中心杆体14分离。同时控制系统804控制高压储气瓶23的充气阀门24打开，向气囊5内充进氦气，气囊5迅速撑开，在冲力的作用下弹头部壳体4被解锁打开，在重力和气动力作用下壳体4自然脱落，当气囊5完全展开时，杆体外板8完全脱落，气囊5悬挂在中心杆体14上，处于悬浮状态，双叶螺旋桨12缺少了杆体外板8的约束，在控制系统804控制下伸出螺旋桨舱10，此时无人浮空器系统在空中完全展开，如图10所示。

空中飞行升降，空中的运动可分为水平运动及垂直升降。水平运动时，因为采用三个双叶螺旋桨12，当单个螺旋桨12工作时，无人浮空器系统可以沿水平面内的三个相间120度的螺旋桨轴向方向进行水平运动。当需沿其它方向水平运动时，可将该运动方向所对应的两个螺旋桨12对该运动进行速度分解，再由控制系统804分别对两个螺旋桨12进行精确控制，使无人浮空器系统沿目标方向进行运动。垂直升降时，气囊5通过本身所排开空气质量与本身质量之差来产生浮升力，通过改变气囊5的体积可以改变无人浮空器系统的净浮力，最终使无人浮空器系统上升或下降。控制浮空器空中运动方向的技术是本领域技术人员所知的，在此不再累述。

任务执行，无人浮空器系统在接收到任务信号时，控制系统804经过计算，确定出最佳航行路线，并控制无人浮空器系统航行至目标空域。控制系统804根据任务要求控制相关机载设备进行任务操作，在得到情报数据后及时通过通信系统805发回控制中心，确保情报数据的时效性。

降落回收，根据使用者需求，可以发射即不管(不回收)，像卫星一样，一直使浮空器运行直到其报废为止；也可以对浮空器循环回收使用。无人浮空器系统完成分配任务后，地面终端控制其飞至指定空域，通过控制系统804控制抽气机匣26抽气，其过程与控制无人浮空器系统垂直降落相同，控制其缓慢降落至地面进行回收。

无人浮空器系统将浮空器原理与无人机技术相结合，气囊在不需要发动机动力的情况下为系统提供升力，可保证浮空器在一定高度对局部区域进行长时间的监视和情报收集，有效解决了现有无人机续航能力较差的弱点，保证了较长的巡航时间。如果利用多台无人浮空器系统协同工作，分配到达不同空域分别执行任务，扩大了监视区域，增加了信息收集量，可大大提高工作效率，合理分配实现多任务工作。此外，由于无人浮空器系统整体结构简单，在未安装前可分为三段，单兵即可携带。气囊5的材料加工工艺及结构材料要求不高，整体设计均在现有科技水平下进行。另外，虽然弹头部壳体、杆体外板和火箭助推器都属于一次性消耗品，增加了初始成本，但是由于浮空器在空中长时间的工作不需要发动机，减小了运行成本，并且续航能力和信息收集能力增强，使得无人浮空器系统的效费比较高，所以无人浮空器系统应该具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种无人浮空器系统，包括弹头部(1)，杆体段(2)和推进段(3)，其中： 

(1)弹头部(1)包括形状相同的两片中空的壳体(4)和气囊(5)，其中： 

壳体(4)横截面为半圆型，当壳体(4)处于拼接状态时，通过头部壳体连接机构(15)将两片壳体(4)固定拼接在一起，壳体(4)内部的中空腔用于存放充气前的气囊(5)，当气囊(5)充气并迅速膨胀时，两壳体(4)分开；两片壳体(4)拼接后直径12-16厘米，长38-42厘米，厚度0.3-0.6厘米，壳体(4)的材料选用耐高温的一次性复合材料；气囊(5)采用层压材料，由靠近外部大气的防老化层、中间胶粘层和靠近气囊内部氦气的阻气层组成； 

(2)杆体段(2)包括中空的圆柱体状中心杆体(14)、三个杆体外板(8)、三个杆体外板连接机构(9)、凹槽形螺旋桨舱(10)、从螺旋桨舱(10)伸出的杆状螺旋桨杆(11)、双叶螺旋桨(12)和内部设备(13)，其中 

杆体外板(8)与中心杆体(14)之间的连接是通过杆体外板(8)上的锁钩(16)与中心杆体(14)上的锁芯(17)锁定的，锁钩(16)与锁芯(17)组合起来构成外板连接机构(9)；在无人浮空器系统未展开时，三片圆弧角度分别为120度的杆体外板(8)刚好覆盖在中心杆体(14)上，保护螺旋桨舱(10)内的双叶螺旋桨(12)，每个杆体外板(8)长度为60-80厘米，厚度为0.3-0.6厘米，杆体外板(8)的材料选用耐高温的一次性复合材料； 

中心杆体(14)的长度与杆体外板(8)的长度一致，三个螺旋桨舱(10)沿圆周方向均匀布置，每个螺旋桨舱(10)呈截面为长方形的槽状，从中心杆体(14)凹进，在每个螺旋桨舱(10)内配置一个与其形状相适应的双叶螺旋桨(12)，螺旋桨舱(10)长30-40厘米，宽3-6厘米，深2-8厘米，螺旋桨杆(11)的一端与螺旋桨舱(10)连接，另一端与双叶螺旋桨(12)固定连接，螺旋桨杆(11)可伸缩，每个螺旋桨杆(11)长6-10厘米，每个双叶螺旋桨(12)直径30-35厘米，在中心杆体(14)的中空内部安装内部设备(13)，内部设备(13)包括气体抽放系统(803)、控制系统(804)、通信系统(805)、机载设备系统(807)、高能蓄电池和高度传感器； 

其中通过紧固装置将气囊(5)的气囊接口固连至杆体段(2)的上端面内侧； 

(3)推进段(3)是一个内含燃料的火箭助推器，在助推器尾部沿圆周方向均匀分布四个与无人浮空器系统轴线平行的梯形安定面，推进段(3)的直径与杆体段(2)相同，推进段(3)的长度为20-40cm，其中 

通过中心杆体(14)上的舵机(18)和推进段(3)顶部的卡槽(19)实现推进段(3)与杆体段(2)的卡槽连接。 

2.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中头部壳体连接机构(15)由锁钩(6)和锁芯(7)组成，锁钩(6)和锁芯(7)相向的一端可扣在一起形成扣紧的拼接配合，相反的一端分别固定连接到两片壳体(4)的中段内壁上。 

3.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中弹头部(1)的两片壳体(4)拼接后直径为14厘米，长度为40厘米，厚度为0.5厘米，壳体(4)选用碳纤维复合材料；气囊(5)的防老化层选用聚氟乙烯，阻气层选用聚醋薄膜。 

4.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中弹头部(1)的两片壳体(4)拼接后直径为14厘米，长度为40厘米，厚度为0.5厘米，壳体(4)选用环氧树脂复合材料；气囊(5)的防老化层选用聚氟乙烯，阻气层选用聚醋薄膜。 

5.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中杆体段(2)的每个杆体外板(8)长度为70厘米，厚度为0.5厘米，杆体外板(8)选用碳纤维复合材料；螺旋桨舱(10)长34厘米，宽4厘米，深4厘米；双叶螺旋桨(12)直径32厘米。 

6.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中杆体段(2)的每个杆体外板(8)长度为70厘米，厚度为0.5厘米，杆体外板(8)选用环氧树脂复合材料；螺旋桨舱(10)长34厘米，宽4厘米，深4厘米；双叶螺旋桨(12) 直径32厘米。 

7.如权利要求1所述的无人浮空器系统，其中推进段(3)的长度为30cm。 

8.如权利要求1至7的任何一项权利要求所述的无人浮空器系统，由浮力系统(801)、动力系统(802)、气体抽放系统(803)、控制系统(804)、通信系统(805)、能源系统(806)组成，其中 

浮力系统(801)，其由一个充气时直径3-5米的弹性气囊(5)组成，气囊中可充入氦气； 

动力系统(802)，其包括推进段(3)和位于螺旋桨舱(10)内的三组双叶螺旋桨(12)；动力系统(802)和浮力系统(801)一起用于控制系统的垂直方向与水平方向的运动； 

气体抽放系统(803)位于杆体段(2)内部的内部设备(13)中，主要由流量计(22)、高压储气瓶(23)、充气阀门(24)、抽气阀门(25)，抽气机匣(26)和增压器(27)组成；充气时，高压储气瓶(23)内存储高压氦气，控制系统(804)控制充气阀门(24)打开，高压氦气从高压储气瓶(23)充入气囊(5)，充气后，控制系统(804)控制充气阀门(24)闭；放气时，抽气阀门(5)开，抽气机匣(26)，气囊(5)气体被抽进增压器(27)，在增压器(27)内增压后充进高压储气瓶(23)； 

控制系统(804)，其主要由微型机载计算机组成，位于杆体段(2)内部的内部设备(13)中，用于控制各系统协同工作； 

通信系统(805)，其由接收天线与通信雷达组成，位于杆体段(2)内部的内部设备(13)中，用于与中继卫星进行实时数据交流； 

能源系统(806)，其由位于气囊(5)表面的太阳能电池薄膜及内部设备(13)高能蓄电器组成，负责电能的获取与存储。 

9.如权利要求8所述的无人浮空器系统，还可包括机载设备系统(807)，其位于杆体段(2)内部的内部设备(13)中，用于执行任务。 

10.如权利要求1至7的任何一项权利要求所述的无人浮空器系统，还可以不安装弹头部(1)的两片壳体(4)和推进段(3)，在地面对气囊(5)充气，利用气囊(5)的浮力使简易浮空器升空。