CN216783835U - 一种水上系锚式高空气球系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水上系锚式高空气球系统。所述水上系锚式高空气球系统包括气囊、吊舱、系留缆绳、太阳能电池阵列、球载抛锚装置、浮舱和阻力伞模块，所述气囊的底部设有连接吊绳；所述连接吊绳连接太阳能电池阵列、吊舱和球载抛锚装置，使所述吊舱位于所述气囊的下方，所述太阳能电池阵列位于吊舱的上端；球载抛锚装置位于吊舱的下端；所述系留缆绳的一个末端与球载抛锚装置连接，另一个末端与所述浮舱连接；所述阻力伞模块上设有调节绳，所述调节绳与所述浮舱连接，且所述阻力伞模块位于浮舱的下方。与相关技术相比，本实用新型其结合了普通高空气球和系留气球的优点，使其同时具备部署灵活、可在指定区域内长期驻留的特点。

Description

一种水上系锚式高空气球系统

技术领域

本实用新型涉及高空系留气球技术领域，尤其涉及一种水上系锚式高空气球系统。

背景技术

高空气球具有飞行高度高、飞行时间长、低成本等优点，在军民领域具有广阔应用前景与价值。但，实现高空气球在指定区域内的长期驻留是确保其发挥优势的关键，而区域驻留仍然是国内外高空气球的技术瓶颈。此外，为充分发挥高空气球的最大功能效用，高空气球应具备可快速响应、重复利用、陆海通用等典型特征。因此，提出实现具备这些特征的一种新型高空气球平台方案——水锚高空气球系统，即采用高空投放锚定装置入水，实现高空气球长航时区域驻留。

实现高空气球区域驻留的技术方案主要包括：

a、地面系留式高空气球：如图1所示，类似于传统低空系留艇，设想的地面系留平流层飞艇也利用地面上的锚泊车22上连接的绞盘21控制系留缆绳5收放调节气囊1的高度，且系留缆绳5可用于电力传输，并补充浮升气体。通过调节系留缆绳5长度，使平流层的气囊1始终保持在20km高度左右的弱风层，从而减小系统所受风载。

其存在如下缺点：系留缆绳连接的气囊上升穿越激流区将受到极大的气动力，对系留缆绳的抗拉强度要求极高，系留缆绳重量将消耗气囊的大部分浮力，使得气囊体积非常庞大才能提供足够的有效载重能力；

b、利用不同驻空高度风场切变的绳系高空气球：如图2所示，气囊1通过系留缆绳5与飞行拖轮23连接。漂浮在平流层东风中的高空气球可以将拖轮23部署到较低的平流层西风带中，从而提供阻力来克服气球的漂移。例如，高空气球漂浮在24km高度，拖轮23在17km高度处飞行，因拖轮23所处高度风速和空气密度比飞艇更大，这意味着相对较小的拖轮就能平衡气球所承受的风载。

其存在如下缺点：寻找符合要求的理想风层非常困难，要实现风阻相互抵消，必须确保风向完全相反，否则实际作用效果不佳，若不同高度的风向角差异大，其合成作用效果还不如直接驻留在某一高度；

c、利用不同驻空高度风场切变、高度调节的高空气球：如图3所示，利用不同平层流高度的风场反向特征，控制气囊高度以使气囊在一端时间内停留在西风带向东漂移，而在另外的时间段内停留在东风带向西漂移，最终移动轨迹始终限制在划定的空域范围内。

其存在如下缺点：需要东西切变风带，且切变风带的高度差距小，否则高空气球的高度调节能力有限，而且只能实现一定区域范围内(通常大于100km)的驻留。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水上系锚式高空气球系统，其结合了普通高空气球和系留气球的优点，使其同时具备部署灵活、可在指定区域内长期驻留的特点。

本实用新型的技术方案是：一种水上系锚式高空气球系统包括气囊、吊舱、系留缆绳、太阳能电池阵列、球载抛锚装置、重心靠下的浮舱和能在水中张开或收拢的阻力伞模块，所述气囊的底部设有连接吊绳；

所述连接吊绳连接太阳能电池阵列、吊舱和球载抛锚装置，使所述吊舱位于所述气囊的下方，所述太阳能电池阵列位于吊舱的上端；球载抛锚装置位于吊舱的下端；

所述系留缆绳的一个末端与球载抛锚装置连接，另一个末端与所述浮舱连接；所述阻力伞模块上设有调节绳，所述调节绳与所述浮舱连接，且所述阻力伞模块位于浮舱的下方。

优选的，所述浮舱包括入水后能进水并储存的储水舱、以及设于所述储水舱下端的设备舱。

优选的，所述储水舱的体积与浮舱和阻力伞模块的总重量匹配。

优选的，所述设备舱内设有收放机构；所述调节绳的一端伸入阻力伞模块内部并与阻力伞模块的伞衣中心连接，另一端与所述设备舱内的收放机构卷绕连接。

优选的，所述太阳能电池阵列由一套碳纤维安装支架支撑。支架的具体结构以能够支撑与固定太阳能电池便可，具体结构根据实际需求设计。

优选的，所述气囊为南瓜型，其外表面设有蒙皮，所述蒙皮为聚乙烯薄膜。

优选的，所述水上系锚式高空气球系统还包括球载抛锚装置，所述球载抛锚装置位于吊舱的下端；

所述球载抛锚装置包括卷筒、转轴及挂架，所述系留缆绳缠绕在卷筒上，所述挂架设于所述吊舱的下端，所述卷筒通过所述转轴与所述挂架可转动连接。

优选的，所述球载抛锚装置还包括用于控制所述卷筒的转动速度的减速装置。

优选的，所述水上系锚式高空气球系统还包括切割装置，所述切割装置设于所述系留缆绳上并位于所述球载抛锚装置的下方。

与相关技术相比，本实用新型的有益效果为：

一、结合了普通高空气球和系留气球的优点，使其同时具备部署灵活、可在指定区域内长期驻留的特点，实现了部署灵活与长期区域驻留的统一；

二、解决了传统高空系留气球面临的缆绳强度要求过高，平台有效载荷过低的难题，使高空系留气球变得可行；

三、以水动阻力阻滞系统运动，从而达到区域驻留的目的，使系统能源需求极低，改善了高空气球系统的续航时间和有效载荷占比。

附图说明

图1为现有的地面系留式高空气球系统的示意图；

图2为现有的利用不同驻空高度风场切变的绳系高空气球系统的示意图；

图3为现有的利用不同驻空高度风场切变、高度调节的高空气球系统的示意图；

图4为本实用新型提供的水上系锚式高空气球系统的结构示意图；

图5为图4中的球载抛锚装置及吊舱的安装结构示意图；

图6为图5的左侧示意图；

图7为图5中的减速装置的结构示意图；

图8为图7的剖视图；

图9为图4中的浮舱与阻力伞模块的连接以及阻力伞模块的工作原理示意图；

图10为本实用新型提供的水上系锚式高空气球系统的任务流程示意图。

附图中：1、气囊；2、太阳能电池阵列；3、吊舱；4、球载抛锚装置；5、系留缆绳；6、浮舱；7、阻力伞模块；8、切割装置；9、转轴；10、减速装置；11、挂架；12、卷筒；13、储水舱；14、设备舱；15、卷筒轴；16、固定板；17、阻尼活塞；18、阻尼动盘；19、耐磨活塞头；20、预紧弹簧；21、绞盘；22、锚泊车；23、拖轮；24、挡板。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图4所示，本实施例提供的一种水上系锚式高空气球系统包括气囊1、太阳能电池阵列2、吊舱3、球载抛锚装置4、系留缆绳5、浮舱6、阻力伞模块7和切割装置8。

所述气囊1采用相对承压能力强的南瓜形超压结构设计，蒙皮材料选用高分子聚乙烯薄膜，加强筋材料选用轻质高强的高分子聚乙烯绳，要求气囊1的平均面密度不超过75g/m²。气囊1底部设有连接吊绳，该连接吊绳用于吊挂太阳能电池阵列2、吊舱3及球载抛锚装置4。

太阳能电池阵列2安装在吊舱3上部，由一套碳纤维安装支架支撑，安装支架设于吊舱3的顶部。太阳能电池阵列2的铺设面积和重量由球上航电设备的总功率决定。

吊舱3内置测控、通信、蓄电池及有效载荷，考虑可能在水上进行回收，吊舱应具备防水设计，同时配置漂浮装置(如低密度泡沫、蜂窝板或气袋)。此外，为便于快速回收，吊舱应安装定位浮标。

如图4所示，所述球载抛锚装置4位于吊舱3的下端（底部）。如图5、图6所示，所述球载抛锚装置4包括卷筒12、转轴9、挂架11及用于控制所述卷筒12的转动速度的减速装置10。

所述卷筒12包括卷筒轴15和设于所述卷筒轴15两端的挡板24，所述系留缆绳5的一个末端密集地缠绕于所述卷筒轴15上，并位于两端的所述挡板24的中间。所述系留缆绳5的另一个末端与浮舱6连接。为减速重量，所述系留缆绳5采用高分子量聚乙烯绳(UHMWPE)。所述减速装置10设于所述卷筒轴15的端面上。所述挂架11设于所述吊舱3的下端，所述卷筒12通过所述转轴9与所述挂架11可转动连接。

如图7、图8所示，所述减速装置10包括固定板16、阻尼活塞17和阻尼动盘18，所述固定板16设置在所述挂架11上，所述阻尼动盘18设置在所述卷筒轴15的侧端面上。所述阻尼活塞17包括耐磨活塞头19和预紧弹簧20，所述预紧弹簧20的一端嵌入所述固定板16中，另一端与所述阻尼动盘18接触。所述阻尼动盘18沿卷筒12端面圆周分段设计，每段的厚度沿卷筒12转动的运动方向从低到高逐渐递增，由此可逐渐增加卷筒12的摩擦力，降低阻尼活塞17的冲击力，从而对卷筒12起限速作用。

所述减速装置10可在卷筒轴15的一个端面设置或者两个端面均有设置，以具有较好的减速效果，适用于高空气球系统。

所述浮舱6位于系留缆绳5的末端。所述浮舱6包括入水后能进水并储存的储水舱13、以及设于所述储水舱13下端的设备舱14。储水舱13用于调节浮舱6总浮力，其入水后一直保持储水状态，其体积大小由舱体和阻力伞模块7的总重量决定，应使浸没时的总浮力略低于总重量，从而使浮舱6保持在水下且深度不大，避免水压过大导致防水问题。设备舱14位于中心且位置靠下，内置收放机构。所述设备舱14与储水舱13前后错开设置，以使所述浮舱6总体重心靠下，使其在水中具有良好稳定性，能始终保持底部朝下。

所述阻力伞模块7采用常规半球形伞构型，采用尼龙材质制成。如图9所示，所述阻力伞模块7上设有调节绳（未标号），所述调节绳与所述浮舱6连接，且所述阻力伞模块7位于浮舱6的下方。所述设备舱14内设有收放机构；所述调节绳的一端伸入阻力伞模块7内部并与阻力伞模块7的伞衣中心连接，另一端与所述设备舱14内的收放机构卷绕连接。在一般状态下，调节绳处于松弛状态，阻力伞模块7完全张开。若想收拢阻力伞模块7，则通过设备舱14内收放机构卷绕调节绳，调节绳拉动伞衣中心向内凹陷（如图9所示），此时水动阻力作用下伞衣外圈收拢，伞绳几乎不受力。

下面给出一个工作高度20km，有效载荷10kg左右，具备在半径200km范围内保持3天以上连续滞空能力的高空气球系统的计算实例：

1)系留缆绳5根据球体气囊在20m/s风速下所受气动力量级(数千牛)，选择缆绳的主要参数为：直径Φ4mm，破断力1250kg，线密度10g/m；

2)阻力伞模块7的设计尺寸为：投影直径为4m，名义面积约28.8m²，阻力伞总质量15kg，阻力伞阻力系数取1.0；

3)除气囊1、氦气、阻力伞模块7、系留缆绳5外的总重量(含任务载荷)：153kg；

4)剩余浮力：8kg；

经迭代计算得：气囊1体积8500m³，初始升空高度21.5km，各部分结构重量如下：

1)气球重量：165.6kg

2)氦气重量：106.9kg

3)缆绳重量：225.0kg；

4)系统总重量：673.7kg。

高空气球系统处于平衡状态时，平移速度为0.57m/s，所受气(水)动阻力为2.1kN，缆绳张力4.2kN，安全系数为2.89，满足2倍安全系数要求。以该速度运动3d，系统最大移动距离约为147.7km，能够在200km范围内停留3d以上。

如图10所示，水上系锚式高空气球系统主要工作流程划分为：发放升空、抛锚入水、锚定工作、自由飘飞、放气回收等，具体过程如下：

1)发放升空阶段：气球的充气发放与普通高空气球无区别，充气完成后，可在陆地采用动态/静态发放，或经由船载集装箱发放；

2)抛锚入水阶段：当气球运动到指定工作区域内且高度在激流区(约12km)之上时，即可进行放缆抛锚，解除卷筒锁定任由系留缆绳5自行释放；

3)锚定工作阶段：浮舱6入水后，储水舱13进水，阻力伞模块7则在气球带动下运动，受水动阻力作用，阻力伞模块7张开，整个系统逐渐减速，最终保持低速运行，即进入系锚工作状态。

4)自由飘飞阶段：系统锚定期间，在必要条件下可控制阻力伞模块7收拢，使系统不受水动阻力，此时系统像普通高空气球一样随风自由飘飞，系统运动速度达到最大。另外，也可通过起爆切割装置8来解除对高空气球的约束，从而实现无限制飞行；

5)放气回收：系统任务完成或因浮升气体泄漏使气球不足以保持设计工作高度时，对高空气球系统进行放气回收。控制气囊1顶部的阀门开启，释放氦气，随浮力下降，气球缓慢下落。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种水上系锚式高空气球系统，包括气囊(1)、吊舱(3)和系留缆绳(5)，所述气囊(1)的底部设有连接吊绳，其特征在于，还包括太阳能电池阵列(2)、球载抛锚装置(4)、重心靠下的浮舱(6)、以及能在水中张开或收拢的阻力伞模块(7)；

所述连接吊绳连接太阳能电池阵列(2)、吊舱(3)和球载抛锚装置(4)，使所述吊舱(3)位于所述气囊(1)的下方，所述太阳能电池阵列(2)位于吊舱(3)的上端；球载抛锚装置(4)位于吊舱(3)的下端；

所述系留缆绳(5)的一个末端与球载抛锚装置(4)连接，另一个末端与所述浮舱(6)连接；所述阻力伞模块(7)上设有调节绳，所述调节绳与所述浮舱(6)连接，且所述阻力伞模块(7)位于浮舱(6)的下方。

2.根据权利要求1所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述浮舱(6)包括入水后能进水并储存的储水舱(13)、以及设于所述储水舱(13)下端的设备舱(14)。

3.根据权利要求2所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述储水舱(13)的体积与浮舱(6)和阻力伞模块(7)的总重量匹配。

4.根据权利要求2所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述设备舱(14)内设有收放机构；所述调节绳的一端伸入阻力伞模块(7)内部并与阻力伞模块(7)的伞衣中心连接，另一端与所述设备舱(14)内的收放机构卷绕连接。

5.根据权利要求1所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述太阳能电池阵列(2)由一套碳纤维安装支架支撑。

6.根据权利要求1所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述气囊(1)为南瓜型，其外表面设有蒙皮，所述蒙皮为聚乙烯薄膜。

7.根据权利要求1所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，还包括球载抛锚装置(4)，所述球载抛锚装置(4)位于吊舱(3)的下端；

所述球载抛锚装置(4)包括卷筒(12)、转轴(9)及挂架(11)，所述系留缆绳(5)缠绕在卷筒(12)上，所述挂架(11)设于所述吊舱(3)的下端，所述卷筒(12)通过所述转轴(9)与所述挂架(11)可转动连接。

8.根据权利要求7所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，所述球载抛锚装置(4)还包括用于控制所述卷筒(12)的转动速度的减速装置(10)。

9.根据权利要求7所述的水上系锚式高空气球系统，其特征在于，还包括切割装置(8)，所述切割装置(8)设于所述系留缆绳(5)上并位于所述球载抛锚装置(4)的下方。

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