CN210793607U - 一种临近空间浮空器集群无线传能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器和多个工作浮空器，多个工作浮空器分布于所述供能浮空器的周围；所述供能浮空器包括架体，以及安装于架体上的太阳能电池和多个激光发射装置，多个激光发射装置与太阳能电池电连接，所述工作浮空器上设有激光接收装置。本实用新型将浮空平台的自主供电模式改进为利用空间太阳能电站集中供电，从而使浮空平台不必携带大面积的太阳能电池板和笨重的蓄电池组，气球平台的设计难度下降，有效载荷占比大大提高，应用平台更加集约高效。

Description

一种临近空间浮空器集群无线传能系统

技术领域

本实用新型涉及临近空间飞行器技术领域，尤其涉及一种临近空间浮空器集群无线传能系统。

背景技术

临近空间浮空器是一种依靠轻质浮升气体产生的浮力升空，可长期飞行于平流层高度的无人平台。近年来，以单个浮空器平台的能力为基础，以平台之间的协同交互能力为支撑，基于开放式体系架构的临近空间浮空器集群系统逐渐成为临近空间浮空器的主要发展方向，可执行诸如广域侦察监视、通信中继、气象环境监测、高分辨率对地观测等多种任务。

临近空间浮空器主要采用“太阳能电池+蓄电池”的自主供能模式。白天太阳能电池将光能转换成电能给平台电子设备供电并将富余的能量储存在蓄电池内，晚上蓄电池放电用于维持浮空器平台的电子设备用电，通过昼夜供能循环以实现平台的持久留空工作。此外，一些研究者提出了利用微波或激光的地面无线输能的技术方案用于给浮空器供能，但大多局限于理论探讨，仅开展了少数低空试验。

“太阳能电池+蓄电池”的供能方案存在以下缺点：当载荷功率很大时，蓄电池重量、太阳能电池面积都极大，浮空器平台为此付出了大量载重能力，而且太阳能电池板的大面积铺设给系统设计带来很大困难，也会对系统的动态特性造成影响，如引起吊舱的大幅摆动。随着有效载荷功率增加，为维持能源平衡所需太阳能电池板和蓄电池也会按比例增大，因此对于大功率的有效载荷，浮空器体积往往需要高达数十万立方才能提供足够的浮力，这给浮空器的加工制造带来了很大困难。

基于微波无线输能的技术方案也存在很多问题，例如：能量传输效率低下，不足20%；需要大面积的微波发射、接收天线；地面发射天线面积过大，难以移动，而浮空器随风漂移运动范围大，很难长时间保持在可充电范围内。激光输能传输效率较高，但一般都是考虑输能装置放在地面，因此存在和微波输能类似的问题，而且对流层水汽，尘埃含量大，对激光的吸收衰减大，传输效率大打折扣。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种为临近空间浮空器长时飞行提供能量、降低能源系统在浮空器平台组成中所占比重的临近空间浮空器集群无线传能系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器和多个工作浮空器，多个工作浮空器分布于所述供能浮空器的周围；所述供能浮空器包括架体，以及安装于架体上的太阳能电池和多个激光发射装置，多个激光发射装置与太阳能电池电连接，所述工作浮空器上设有激光接收装置。

本实用新型将浮空平台的自主供电模式改进为利用空间太阳能电站集中供电，从而使浮空平台不必携带大面积的太阳能电池板和笨重的蓄电池组，气球平台的设计难度下降，有效载荷占比大大提高，应用平台更加集约高效。

整个临近空间浮空器集群系统以供能浮空器形成的太阳能空间电站为中心，太阳能空间电站负责发电及能量传输，考虑临近空间环境特征，采用激光无线输能作为能量传输方式。大量功能多样的浮空器平台携带少量蓄电池和一块光电池板用于接收高能激光传输的能量。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述激光发射装置为深红光激光器。

所述深红光激光器发出波长为800nm的深红光。800nm 左右为GaAs光电池能量转换效率最高的波长。激光器输出功率选择5kW即可满足大部分应用需求。

所述激光接收装置为GaAs光电池。

光电池优选可绕中心轴旋转，以便接收激光束实现无线输能。光电池外表面可附加迷你顶状透镜，以实现对不同方向入射的光束进行聚焦，提高光电池对入射光束的能量利用率。

所述架体包括两个臂架，两个臂架之间连接有骨架从而形成V形艇结构。

太阳能空间电站基于V形艇设计。V形艇作为太阳能空间电站，可充分利用其大臂展，搭建大面积太阳能电池板的安装支架，太阳能电池板产生的富余能量存储在储能电池中，储能电池容量应能满足其他小型浮空器平台夜间总的能量需求。

所述骨架上围设有蒙皮，所述蒙皮与骨架形成第一气囊，所述太阳能电池铺设于第一气囊上。因V形艇自身具备一定气动升力，因此通过调节相对空速，可对平台的滞空高度做有限调节。

两个臂架的尾部下端对称设有竖向布置的尾翼。此为保证航向稳定性，在原始构型基础上增加了上述两片垂直尾翼。V形艇在尾翼作用下始终保持良好的迎风状态，依靠尾部安装的螺旋桨来抵抗风阻，以调整平台运行速度。

两个臂架的中部下端对称设有电气设备。

两个臂架的尾端对称设有螺旋桨发动机。

所述工作浮空器包括第二气囊和连接于第二气囊下端的吊舱，所述激光接收装置连接于吊舱的下端。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型以V型艇为空间太阳能电站的集中供能方式，可缩减依附的浮空平台携带的太阳能电池板和蓄电池重量，这部分重量往往是有效载荷重量的数倍以上，消耗了浮空器平台大部分浮力，由此可大大减小依附平台的设计体积，简化其使用能源平衡设计，并降低浮空器平台的研制及装调难度；做到随用随充，平台无需带电池板，或仅需带极少量电池板、蓄电池也可大大减小，减少重复冗余，夜间没电时请求中心平台供电即可。供电平台能量充裕，为浮空器搭载体型较大的高能微波、激光等定向能武器等提供了可能能源保证。

附图说明

图1为本实用新型实施例的临近空间浮空器集群无线传能系统的结构示意图。

图例说明：1、供能浮空器；101、架体；102、电气设备；103、尾翼；104、螺旋桨发动机；105、太阳能电池；106、激光发射装置； 2、工作浮空器；201、第二气囊；202、吊舱；203、激光接收装置。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例：

如图1所示，本实施例的临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器1和多个工作浮空器2，多个工作浮空器2分布于供能浮空器1的周围。供能浮空器1包括架体101，以及安装于架体101上的太阳能电池105和多个激光发射装置106，多个激光发射装置106与太阳能电池105电连接，工作浮空器2上设有激光接收装置203。

工作浮空器2包括第二气囊201和连接于第二气囊201下端的吊舱202，激光接收装置203连接于吊舱202的下端。

架体101包括两个臂架，两个臂架之间连接有骨架从而形成V形艇结构。骨架上围设有蒙皮，蒙皮与骨架形成第一气囊，太阳能电池105铺设于第一气囊上。

两个臂架的尾部下端对称设有竖向布置的尾翼103，两个臂架的中部下端对称设有电气设备102，两个臂架的尾端对称设有螺旋桨发动机104。

空间太阳能电站为V形艇，V形艇采用蒙皮骨架式结构，双臂分别加工后利用刚性骨架连接，刚性骨架上围设有蒙皮，蒙皮与骨架形成第一气囊。第一气囊由蒙皮充气形成单独的气室，多个第一气囊沿臂架长度方向间隔设置，使囊体承受的浮力分布均匀。囊体横截面为椭圆形，使其具备一定升力，进而能通过改变相对空速进行高度调节。

根据气动分析，V形艇气动阻力同张角大小成正比，在双臂直径较小时，气动阻力同直径成反比。同等体积下，直径越大，阻力系数越小，但同时臂长减小，使得可供铺设的太阳能电池板的面积减小，因此，设计时需对阻力系数和太阳能电池板铺设面积进行综合考虑，以优化出最佳直径。

V形艇构型本身为航向静不稳定的，航向气动中心同总重心、总浮心位置接近，为保持艇身水平，要求重心和浮心近似在一条铅垂线上，因此不能通过重心配置实现航向静定，故在V形艇尾部增加了两片垂直尾翼103，尾翼103面积大小通过计算航向气动中心的位置决定。由于V形艇运行在临近空间，气流以水平运动为主，因此俯仰方向不做特殊设计。

V形艇运行控制设备及储能电池安装在双臂对称布置的设备箱中，艇尾安装两个螺旋桨发动机104，抵抗部分风力，调节相对空速，进行适当的高度调节。空间电站能量来源于大面积太阳能电池105，太阳能电池安装架直接架设在两臂骨架之上。太阳能电池板的面积依据V形艇和依附的临近空间浮空器平台全天总能耗确定，储能电池根据V形艇和临近空间浮空器平台的夜间总能耗确定，V形艇自身尺寸则依据浮重平衡原则设计。

考虑临近空间环境特征，采用激光无线输能作为能量传输方案。其中，激光发射装置106为可发出波长为800nm左右的深红光的高能激光器，激光接收装置203为GaAs光电池。

V形艇上、下安装多台高能激光器，以便同时给各依附的浮空器平台充电。从传输效率考虑采用深红光（波长800nm左右）与GaAs光电池，即激光发射装置为波长800nm左右深红光高能激光器，其它临近空间浮空器平台上的能量接收装置为GaAs光电池。

激光器输出功率选择5kW即可满足大部分应用需求：以能量传输转换效率为50%计，对于能耗100W的典型通信用平流层浮空器平台，充电0.4h即可满足10h能量需求；根据通用原子公司现有高能激光器技术指标，功重比为4kg/kW，5kW的激光器重约20kg。

依附的临近空间浮空器平台根据浮空器浮重平衡、能源平衡、推阻平衡三个基本原则独立设计，唯一需要注意的是自带储能电池的容量。同样以100W的通信用浮空器平台为例，10h总能耗为1kWh，总充电时间为0.4h，不考虑损耗的情况下若自带蓄电池总容量为0.2kWh，则夜间供需充电5次，即每工作2h需要与V形艇建立连接并充电0.08h，约合5min。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，包括设于平流层的供能浮空器（1）和多个工作浮空器（2），多个工作浮空器（2）分布于所述供能浮空器（1）的周围；所述供能浮空器（1）包括架体（101），以及安装于架体（101）上的太阳能电池（105）和多个激光发射装置（106），多个激光发射装置（106）与太阳能电池（105）电连接，所述工作浮空器（2）上设有激光接收装置（203）。

2.根据权利要求1所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述激光发射装置（106）为深红光激光器。

3.根据权利要求2所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述深红光激光器发出波长为800nm的深红光。

4.根据权利要求1所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述激光接收装置（203）为GaAs光电池。

5.根据权利要求1-4任一项所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述架体（101）包括两个臂架，两个臂架之间连接有骨架从而形成V形艇结构。

6.根据权利要求5所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述骨架上围设有蒙皮，所述蒙皮与骨架形成第一气囊，所述太阳能电池（105）铺设于第一气囊上。

7.根据权利要求5所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，两个臂架的尾部下端对称设有竖向布置的尾翼（103）。

8.根据权利要求5所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，两个臂架的中部下端对称设有电气设备（102）。

9.根据权利要求5所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，两个臂架的尾端对称设有螺旋桨发动机（104）。

10.根据权利要求1-4任一项所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述工作浮空器（2）包括第二气囊（201）和连接于第二气囊（201）下端的吊舱（202），所述激光接收装置（203）连接于吊舱（202）的下端。

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