一种高空系留气球及其控制方法技术

本发明专利技术涉及浮空飞行器领域，具体公开了一种高空系留气球及其控制方法，其中高空系留气球包括球体系统和系缆系统，所述球体系统包括能充入气体的球体，系缆系统包括主缆绳和球体分缆绳，球体通过球体分缆绳连接到主缆绳上，还包括辅助伞系统，辅助伞系统包括伞体和辅助伞缆绳，伞体的上端与球体连接，伞体通过辅助伞缆绳与主缆绳连接；辅助伞缆绳用于调整伞体的迎风面积，其长度是能够调节的。本发明专利技术提供了一种结构简单的高空系留气球，通过在高空系留气球的球体上设置以辅助伞系统，辅助伞系统能够给球体提供额外的升力，以使得球体系统具有更强的抗风能力，即使在风速较大的情况下仍能与地面保持足够大的倾斜角度。

A tethered balloon at high altitude and its control method

The invention relates to the field of floating aircraft, in particular to a tethered balloon at high altitude and its control method. The tethered balloon at high altitude includes a sphere system and a tether system. The tether system includes a sphere capable of filling gas, a tether system includes a main cable and a sphere tether, a sphere is connected to the main cable through a sphere tether, an auxiliary umbrella system and an auxiliary umbrella system. It includes umbrella body and auxiliary umbrella cable. The upper end of umbrella body is connected with the sphere. The umbrella body is connected with the main cable through auxiliary umbrella cable. The auxiliary umbrella cable is used to adjust the windward area of the umbrella body and its length can be adjusted. The invention provides a high-altitude tethered balloon with simple structure. By setting an auxiliary umbrella system on the high-altitude tethered balloon, the auxiliary umbrella system can provide additional lift to the sphere, so that the sphere system has stronger wind resistance, and can maintain a sufficient inclination angle with the ground even when the wind speed is large.

【技术实现步骤摘要】
一种高空系留气球及其控制方法
本专利技术涉及浮空飞行器领域，更具体地涉及一种高空系留气球及其控制方法。
技术介绍
系留气球属于浮空器中的一种，利用浮力实现空中升浮，可作为各种通讯、监测、雷达、高空发电装置等设备的搭载平台，具有非常重要的作用和无可比拟的优势。系留气球作为空中平台，需要保证足够的稳定性和足够的倾斜角度，以保证系留气球安全和满足所携带设备正常工作的要求。通常系留气球的组成主要包括：球体、系缆、锚泊装置三大部分。目前，为了提高系留气球的抗风能力，研发人员多将气球球体设计成扁球形回转体，相比正球形，扁球形球体的迎风面更小，抗风效果更好，更稳定。但是，太扁的球形会造成球体的体面比减小，相同体积的气囊表面积会增大，从而造成重量的增加，因此，扁球形球体的应用成本相对较高。另外，为在风中稳定球体方位及姿态，保持气球的航向稳定，通常会选择在气球后部偏下的位置装有一个尾翼(或迎风兜或稳定风帆)，如申请号为201610879143.3和201810619298.2的专利技术专利，该尾翼的尾部与系缆连接。一般情况下，尾翼的面积越大，产生的气动力越大，系留气球球体姿态自动调节效果也越明显，但系留气球球体漂移量也越大，高度下降越大，一定程度影响了系统安全和有效载荷应用效果。在气球上设置尾翼的方案仅仅能够保证气球的航向稳定，但难以保证系留气球在风速较大的情况下保持足够大的倾斜角度。现有技术中还有人设置了一种半硬式系留气球尾翼结构，采用了一些龙骨撑起的张拉膜作为尾翼，该半硬式结构一方面能够作为风标使球体保持迎风方向，使球体具有一定的稳定性，另一方面还能提供额外的气动升力。然而该方案需要采用了龙骨(长杆)支撑，结构相对复杂，当尾翼需要做大时，而需要更长的龙骨，这时对龙骨的强度要求会提高，因此容易提高产品的应用成本，且很容易增加重量。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种结构简单、抗风能力强的高空系留气球。本专利技术还提供了一种上述高空系留气球的控制方法。本专利技术采取的技术方案是，一种高空系留气球，包括球体系统和系缆系统，所述球体系统包括能充入气体的球体，系缆系统包括主缆绳和球体分缆绳，球体通过球体分缆绳连接到主缆绳上，还包括辅助伞系统，辅助伞系统包括伞体和辅助伞缆绳，伞体的上端与球体连接，伞体通过辅助伞缆绳与主缆绳连接；辅助伞缆绳用于调整伞体的迎风面积，其长度是能够调节的。其中，伞体可以固定在球体的任何位置，如球体的上部、下部或者中部等。同时，辅助伞系统可以采用任意形状的飞行伞，可以是球形伞，也可以是矩形伞。本专利技术提供了一种结构简单、抗风能力强的高空系留气球，通过在高空系留气球的球体上设置以辅助伞系统，通过调整辅助伞系统伞体的受风面积的不同，使得在有风的情况下，辅助伞系统受到的沿竖直面向上的力大于沿水平面的力，如此辅助伞系统能够给球体提供额外的升力，以使得球体系统具有更强的抗风能力，即使在风速较大的情况下仍能与地面保持足够大的倾斜角度(球体与地面之前的倾斜角度指的是系着球体的主缆绳与地面之间的角度)。在本专利技术中可以采用正圆球形球体或扁球形球体。为了降低相同体积下球体的自重，降低应用成本，优选采用正圆球形球体或稍扁的扁球形球体。作为一种优选的方案，为了便于控制，本方案将辅助伞缆绳分为至少两组，包括第一辅助伞缆绳和第二辅助伞缆绳，第一辅助伞缆绳的长度统一调节，第二辅助伞缆绳的长度统一调节。本方案通过将辅助伞缆绳分成多组，每组缆绳都能分别调整长度，如此，可将分成多个组块来控制伞体不同的面的受风面积，如此，可调整使得辅助伞可以给球体提供一种额外的升力，从而提高高空系留气球的抗风能力，保证高空系留气球与地面的角度足够大。作为一种优选的方案，所述辅助伞缆绳包括第一伞绳、第二伞绳、第一调节绳和第二调节绳；第一伞绳为若干根，其一端与伞体连接，另一端汇聚到一起后再与第一调节绳的一端连接，第一调节绳的另一端与主缆绳连接；第二伞绳为若干根，其一端与伞体连接，另一端汇聚到一起后再与第二调节绳的一端连接，第二调节绳的另一端与主缆绳连接。在实际应用中，可以在系留气球升空前，先查询当天或某段时间内(如一个月、一个季度或一年内)该地区的风速范围，根据所获取的风速范围，计算出能将系留气球的倾角控制在预设角度范围的第一调节绳和第二调节绳的绳长，然后将第一调节绳和第二调节绳的绳长调整为计算值，然后再将系留气球升空，如此能够实现将高空系留气球的倾角控制在设定角度范围内。作为一种优选的方案，为了实现实时控制，更精确的控制高空系留气球与地面的夹角，所述的高空系留气球还包括风速采集装置、调节装置和控制系统；风速采集装置用于采集实时风速信息，并将所采集的实时风速信息发送给控制系统；调节装置用于分别调节第一调节绳和第二调节绳长度；控制系统用于获取风速采集装置的风速信息，通过获取的风速信息计算得出第一调节绳和第二调节绳的长度，然后根据计算结果控制调节装置对第一调节绳和第二调节绳的长度进行调节。本方案通过设置控制系统实现对系留气球的倾角的实时控制，如此能够实现将倾角控制在更精确的范围内。在实际情况中，由于伞体不一定是严格圆形或圆环状，因此，若是将第一伞绳和第二伞绳简单地连接到伞体的自由端，那么每条伞绳的起点(自由端)到伞体顶部的距离不一定相同。其中伞体顶部指的是伞体和球体的连接处。因此，本方案中设定，设置某第一伞绳/第二伞绳与伞体的连接点到伞体顶部之间的最短距离为l1，该第一伞绳/第二伞绳的长度为l2，对于所有的对于第一伞绳和第二伞绳，l1与l2的总和(l1+l2)是相等的。作为一种优选的方案，为了降低制造的难度，第一伞绳的上端与伞体连接，且至少分别与伞体的上端点和自由端连接；第二伞绳的上端与伞体连接，且至少分别与伞体的上端点和自由端连接。其中，伞体的上端点指的是：该自由端到伞体顶部距离最短的那个点。如此，只需设置第一伞绳的长度等于第二伞绳的长度即可。作为一种优选的方案，伞体上设有导流孔。优选地，导流孔包括设在伞体两侧的第一导流孔，所述第一导流孔之间的其中一侧的伞体下部设有第二导流孔。其中，设在伞体两侧的导流孔用于稳定系留气球球体的姿态，能够将气流引导从伞体的两侧流出，使球体保持迎风方向，同时该导流孔能够破坏伞体后方大面积不稳定分离的形成，避免了类似卡门涡街现象导致的系留气球不稳定摆动现象；设置在伞体下部的导流孔能够引导气流向下流动，从而使得辅助伞能够受到向上的举力，因此有助于提高辅助伞系统的升力。优选地，为了进一步引导气流的流向，设置所述第一导流孔为竖孔，所述第二导流孔为横孔。作为一种优选的方案，以伞体两侧设置的所述第一导流孔为界，设有所述第二导流孔的伞体为第一伞体，未设置所述第二导流孔的伞体为第二伞体；所述第一伞体的长度大于所述第二伞体的长度。在本专利技术中，由于辅助伞的作用主要是为了在有风的情况下稳定系留气球的姿态以及夹角(提高系留气球的稳定性和抗风能力)，因此，当有风的情况下，往往是长度更长的第一伞体部分作为迎风面被吹至下部，如此仅需在第一伞体下部设置第二导流孔即可，本方案能够避免辅助伞内气流过于分散，使得辅助伞内的气流集中起来，分别往设置在第一伞体下部的第二导流孔将气流引导向下流出，使得辅助伞获得一个较大的向上的举力，从而使得系留气球也能获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空系留气球，包括球体系统(1)和系缆系统(2)，球体系统(1)包括能充入气体的球体(100)，系缆系统(2)包括主缆绳(200)和球体分缆绳(201)，球体(100)通过球体分缆绳(201)连接到主缆绳(200)上，其特征在于，还包括辅助伞系统(3)，辅助伞系统(3)包括伞体(301)和辅助伞缆绳(302)，伞体(301)的上端与球体(100)连接，伞体(301)通过辅助伞缆绳(302)与主缆绳(200)连接；辅助伞缆绳(302)用于调整伞体(301)的迎风面积，其长度是能够调节的。

【技术特征摘要】
1.一种高空系留气球，包括球体系统(1)和系缆系统(2)，球体系统(1)包括能充入气体的球体(100)，系缆系统(2)包括主缆绳(200)和球体分缆绳(201)，球体(100)通过球体分缆绳(201)连接到主缆绳(200)上，其特征在于，还包括辅助伞系统(3)，辅助伞系统(3)包括伞体(301)和辅助伞缆绳(302)，伞体(301)的上端与球体(100)连接，伞体(301)通过辅助伞缆绳(302)与主缆绳(200)连接；辅助伞缆绳(302)用于调整伞体(301)的迎风面积，其长度是能够调节的。2.根据权利要求1所述的高空系留气球，其特征在于，辅助伞缆绳(302)分为至少两组，包括第一辅助伞缆绳和第二辅助伞缆绳，第一辅助伞缆绳的长度统一调节，第二辅助伞缆绳的长度统一调节。3.根据权利要求2所述的高空系留气球，其特征在于，所述辅助伞缆绳(302)包括第一伞绳(3021)、第二伞绳(3022)、第一调节绳(3023)和第二调节绳(3024)；第一伞绳(3021)为若干根，其一端与伞体(301)连接，另一端汇聚到一起后再与第一调节绳(3023)的一端连接，第一调节绳(3023)的另一端与主缆绳(200)连接；第二伞绳(3022)为若干根，其一端与伞体(301)连接，另一端汇聚到一起后再与第二调节绳(3024)的一端连接，第二调节绳(3024)的另一端与主缆绳(200)连接。4.根据权利要求3所述的高空系留气球，其特征在于，还包括风速采集装置、调节装置和控制系统；风速采集装置用于采集实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，
申请(专利权)人：广东高空风能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44