一种互锚定式长驻留平流层浮空平台的制作方法

[0001]
本实用新型属于临近空间技术领域，具体涉及一种互锚定式长驻留平流层浮空平台。


背景技术：

[0002]
临近空间平流层的下层(约17～23km范围)存在由上层东风转为下层西风的纬向风过渡层，为准零风层。准零风层的存在为长航时互锚定驻空平台提供了有力的科学理论支撑。利用准零风层，互锚定式长驻留平流层浮空平台双球系统对抗平衡点偏离的能力更强，因此具有更好的收敛性和鲁棒性。
[0003]
现有临近空间浮空器主要包括高空气球和平流层飞艇平台。平流层飞艇由于定点驻留采取主动抗风策略，驻空时间较短，对能源、推进与控制要求极高，系统复杂、重达吨级，限制了其发展应用。高空气球相对简单、成本低、准备周期短、易于灵活实施，但由于没有动力推进系统只能按环境风场自由飞行，单气球平台存在难以长时间区域驻留、轨迹控制等问题，无法较好地利用准零风层特性实现长时间驻留。


技术实现要素：

[0004]
基于以上问题，本实用新型提供一种互锚定式长驻留平流层浮空平台，通过浮力球提供主要浮力，重力球通过充放气机构调节重力；收放机构可适时调整浮力球与重力球的相对位置，使其分别处于东西风层控制相反风层力大小，实现整个系统的力平衡，进而能够利用准零风层进行长时间驻留，使浮空平台对抗平衡点偏离的能力更强，具有更好的收敛性和鲁棒性。
[0005]
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
[0006]
一种互锚定式长驻留平流层浮空平台，包括填充有氦气的浮力球，浮力球的底部通过拉力绳连接有重力球，重力球的顶部设置有可对拉力绳进行收放的收放机构；重力球的内腔中间设置有隔膜，隔膜将重力球分割为两个互相独立的上腔室和下腔室，上腔室内填充有氦气，下腔室内充有空气；重力球的底部安装有可对重力球的下腔室进行充放气的充放气机构；重力球的底部安装有吊舱，吊舱内携带有载荷、通信器、监测设备和储能电池；通信器与地面基站、收放机构以及充放气机构通讯连接，通信器用于向地面基站传递监测设备的监测数据以及接收地面基站对收放机构和充放气机构的控制信号，并分别传递至收放机构和充放气机构。
[0007]
进一步地，收放机构包括壳体，壳体内壁转动连接有两个对向设置的转轮，两个转轮侧壁均开设有位置相对的弧形槽，壳体在两个转轮弧形槽对应的位置开设有穿孔，靠近重力球的拉力绳端头依次由穿孔、两个弧形槽形成的间隙槽穿入壳体内并固定于壳体底部；两个转轮的弧形槽之间的最大间距小于拉力绳的直径，其中一个转轮由固定于壳体上的伺服电机驱动旋转，伺服电机的控制端与通信器通讯连接。
[0008]
进一步地，与伺服电机驱动连接的转轮的弧形槽内设置有斜齿槽，伺服电机的输
出轴同轴连接有与斜齿槽相匹配的蜗杆，蜗杆与斜齿槽驱动连接。
[0009]
进一步地，充放气机构包括与通信器通讯连接的充放气泵，充放气泵的一端与大气连通，另一端通过导管与重力球的下腔室连通，导管上设置有控制导管导通与关闭的电磁阀。
[0010]
进一步地，浮力球的顶部设置有降落伞。
[0011]
进一步地，吊舱外壁设置有可为储能电池充电的太阳能板。
[0012]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过浮力球提供主要浮力，重力球通过充放气机构调节重力；收放机构可适时调整浮力球与重力球的相对位置，使其分别处于东西风层控制相反风层力大小，实现整个系统的力平衡，进而能够利用准零风层进行长时间驻留，使浮空平台对抗平衡点偏离的能力更强，具有更好的收敛性和鲁棒性。
附图说明
[0013]
图1为实施例中互锚定式长驻留平流层浮空平台的结构示意图；
[0014]
图2为实施例中重力球及充放气机构的结构示意图；
[0015]
图3为实施例中拉力绳收放机构的结构示意图；
[0016]
图4为实施例中拉力绳、蜗杆与两个转轮的位置关系示意图；
[0017]
其中：1、浮力球；2、拉力绳；3、重力球；4、收放机构；5、隔膜；6、上腔室；7、下腔室；8、充放气机构；9、吊舱；10、壳体；11、转轮；12、弧形槽；13、伺服电机；14、斜齿槽；15、蜗杆；16、充放气泵；17、电磁阀；18、降落伞；19、太阳能板。
具体实施方式
[0018]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
[0019]
实施例：
[0020]
参见图1和图2，一种互锚定式长驻留平流层浮空平台，包括填充有氦气的浮力球1，浮力球1的底部通过拉力绳2连接有重力球3，重力球3的顶部设置有可对拉力绳2进行收放的收放机构4；重力球3的内腔中间设置有隔膜5，隔膜5将重力球3分割为两个互相独立的上腔室6和下腔室7，上腔室6内填充有氦气，下腔室7内充有空气；重力球3的底部安装有可对重力球3的下腔室7进行充放气的充放气机构8；重力球3的底部安装有吊舱9，吊舱9内携带有载荷、通信器、监测设备和储能电池；通信器与地面基站、收放机构4以及充放气机构8通讯连接，通信器用于向地面基站传递监测设备的监测数据以及接收地面基站对收放机构4和充放气机构8的控制信号，并分别传递至收放机构4和充放气机构8。
[0021]
在本实施例中，浮力球1为氦气球，主要提供浮力；重力球3通过隔膜5分割为上腔室6和下腔室7，上腔室6充有氦气，上腔室6充入空气；通过充放气机构8对下腔室7内的空气进行吸入或排出，以进行重力球3的重力调节。浮力球1与重力球3用拉力绳2相连，高度调节范围大，拉力绳2的收放机构4以较小功率消耗即可适时调整浮力球1与重力球3相对位置、控制相反风层力大小，实现整个系统的力平衡，进而使浮空平台能够在长时间区域驻留。
[0022]
参见图1-4，本实施例中的互锚定浮空平台依靠静浮力升空，依据区域实际风场环
境，通过选取放飞点可以使其按设计飞行轨迹进入预定的驻空区域。在驻留阶段，通过拉力绳2收放、重力球3调节控制，并使得上下浮力球1与重力球3分别处于东西风层，达到东西方向的控制，使得该浮空平台对抗平衡点偏离的能力更强，具有更好的收敛性和鲁棒性。对于南北方向运动只需进行弱控制，使平台以规划的方向和速度运动，达到以最低能量代价实现区域长期驻留的目标。
[0023]
收放机构4包括壳体10，壳体10内壁转动连接有两个对向设置的转轮11，两个转轮11侧壁均开设有位置相对的弧形槽12，壳体10在两个转轮11弧形槽12对应的位置开设有穿孔，靠近重力球3的拉力绳2端头依次由穿孔、两个弧形槽12形成的间隙槽穿入壳体10内并固定于壳体10底部；两个转轮11的弧形槽12之间的最大间距小于拉力绳2的直径，其中一个转轮11由固定于壳体10上的伺服电机13驱动旋转，伺服电机13的控制端与通信器通讯连接。两个转轮11的弧形槽12对拉力绳2夹紧，弧形槽12也会起到一定的限位和导向的作用，使拉力绳2始终保持在两个弧形槽12之间的间隙内。在伺服电机13驱动其中一个转轮11旋转时，会带动拉力绳2移动，当转轮11转动使拉力绳2缩短时，多余的绳段会被收纳至壳体10中；当转轮11转动使拉力绳2伸长时，位于壳体10内的拉力绳2冗余部分会被转轮11带出壳体10外，拉力绳2在浮力球1拉力作用下被拉直，从而实现浮力球1与重力球3之间的距离调节。拉力绳2固定于壳体10内的底部，可以防止拉力绳2全部脱出壳体10内使浮力球1与重力球3分离的问题。
[0024]
与伺服电机13驱动连接的转轮11的弧形槽12内设置有斜齿槽14，伺服电机13的输出轴同轴连接有与斜齿槽14相匹配的蜗杆15，蜗杆15与斜齿槽14驱动连接。蜗杆15与带有斜齿槽14的转轮11形成蜗轮蜗杆15结构，该结构具有自锁功能，只有伺服电机13输出轴旋转使蜗杆15带动含有斜齿槽14的转轮11转动，实现拉力绳2的收放；而带有斜齿槽14的转轮11无法在拉力绳2的牵引下转动；且该转轮11上的斜齿槽14也会对拉力绳2产生紧扣作用，拉力绳2在两个转轮11之间不会打滑，从而可以实现拉力绳2伸长量的精确控制。
[0025]
本实施例中充放气机构8包括与通信器通讯连接的充放气泵16，充放气泵16的一端与大气连通，另一端通过导管与重力球3的下腔室7连通，导管上设置有控制导管导通与关闭的电磁阀17。需要增加重力球3的重力降低浮空平台的高度时，地面基站发出对应的控制信号，通信器接收到控制信号后将其发送至充放气泵16的控制电路中，开启电磁阀17，开启充放气泵16向重力球3的下腔室7充入空气，从而增加重力球3的重量；浮空平台下降至需要的高度后，停止充气并关闭电磁阀17。同理需要抬高浮空平台的高度时，开启电磁阀17并抽出下腔室7内的部分空气，使重力球3的重量减少即可。通过增加重力球3重量的方法也可实现浮空平台的回收，为了保证可靠重复利用，浮力球1的顶部设置有降落伞18，可以在浮空平台失效后或者下落速度过快时打开降落伞18，保证浮空平台以安全速度顺利回收。
[0026]
吊舱9外壁设置有可为储能电池充电的太阳能板19，可以为储能电池进行充电，保证浮空平台的运行过程中有持续的电能供应，确保充放气机构8、收放机构4以及吊舱9内携带的载荷、通信器、监测设备等器件正常工作。
[0027]
如上即为本实用新型的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述实用新型验证过程，并非用以限制本实用新型的专利保护范围，本实用新型的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

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