一种带有相变调节气囊的高空气球制造技术

本发明专利技术公开了一种带有相变调节气囊的高空气球，包括主气囊；用于装备任务设备及载荷的载荷吊篮；用于直接或间接调节高空气球压差，使得气球在高度变化时压差保持在安全范围内的相变调节气囊；用于填充相变调节气囊的相变工质气体；用于调控相变调节气囊内相变工质气体体积的相变设备；相变设备包括将液化/凝华装置；气化/升华装置；储存液相/固相工质的储罐；相变电子及配件；控制系统。本发明专利技术不仅提供通过相变直接调节高度的冗余方式，而且可以为复合体气泵工作创建有利的压差条件。更重要的是，在进行高度变更控制的全过程，始终确保球体压差处于安全范围，实现高度控制与压差控制的优化协调。

【技术实现步骤摘要】
一种带有相变调节气囊的高空气球
本专利技术涉及一种高空气球，尤其涉及一种带有相变调节气囊的高空气球。
技术介绍
高空气球由球体系统、设备载荷吊篮等组成，球体内充以一定质量轻于空气的升力气体以产生浮力，使气球上升并保持到适当的高度。设备载荷吊篮中包含有能源、控制、航电、通信、回收等设备及任务载荷。广义的高空气球分为传统的零压式自然形气球、大型超压气球、小型超压气球、红外热气球等。零压气球一般采用开放式结构，底部有排气管。发放升空时，随着气球上升和大气压力的降低，球体内的升力气体迅速膨胀。到达上升极限时，升力气体充满整个球体，多余的升力气体从底部的排气管排出，气球自身重力与浮力达到平衡。白天由于太阳直接辐射、地面反照辐射、地气红外辐射等综合因素的影响会使球体内部气体的温度明显高于外部大气的温度，球体内部升力气体膨胀导致内外压差增加。为了防止气球膨胀导致球体爆裂，气球底部的排气管将排出一部分升力气体。夜晚，太阳辐射消失，内部升力气体温度下降，压力下降，气球所受到的浮力减小，会造成高度下降。当高度太低时，可以抛一定的压舱物(例如水或沙子)。但是由于气球所能携带的压舱物和升力气体在空中都属于不可再生资源，所以高度调节的次数和幅度都十分有限。一旦没有多余的压舱物可以抛、剩余升力气体不足以提供有效工作高度需要的最低浮力时，就不得不结束任务，有效工作时间极其短暂。超压单一体是靠特殊结构设计和高强度的薄膜材料来被动抵抗压差的增大，但是这种被动方式能够抵抗的压差毕竟是有限的。由于地球中低纬度昼夜辐照条件变化剧烈，超压单一体超压会比较大。因此，几万立方米体积以上的大型超压单一体大多在地球高纬度极昼地区才能开展飞行任务。此外，超压单一体并没有调节工作高度的能力。复合体通过内部空气囊对工作高度进行调节的同时，有可能更大程度加剧压差的增加：排出空气提升高度时，内外压力同时减小；吸收空气降低高度时，内外压力同时增加。也就是说，仅仅靠空气囊难以兼顾压差和高度同时控制，存在典型的欠驱动问题。实际上内部空气囊在理论上并不适合作为保持压差的手段，日夜温差的影响将导致不同的连锁反应：(1)白天由于太阳直接辐射、地面反照辐射、地气红外辐射等综合因素的影响会使球体内部气体的温度明显高于外部大气的温度，若不进行排气，内外压差有可能会超过蒙皮的应力范围，降低蒙皮的使用寿命。而排放气体会导致系统的重力减小，使净浮力增大，影响高度保持。(2)晚上由于球体内部气体温度降低，压强减小，为了保压就需要充入空气，这将使得系统的重力增加，净浮力减小，同样影响高度保持。关于旋转阴阳体，虽然申请号为201380036079.7的中国专利技术名称为“利用密度调节和/或体积调节的气球高度控制”，但旋转阴阳体其实质属于仅仅理论上可以主动进行压差保持控制。首先，正如该说明书0034段所说的，在夜间不再可能依靠旋转阴阳体进行压差保持，因此旋转阴阳体并不是一种可以昼夜循环的办法。其次，其权利要求第16、17条及说明书0129-0132段写到，将通过电动机或伺服电动机控制操作一个或多个偏置风扇、推力板或推力偏转器使定向套管释放压缩空气、万向支架或球形滚轴轴承等方式来旋转气囊，这里实际上有两个致命问题：一是高空气球工作高度越高、体积越大(已有百万立方米量级巨型高空气球其表面积都可铺满多个足球场了)、转动惯量越大，通过主动控制让整个气球都旋转需要非常大的功耗，实际上难以实现。二是旋转球体势必加剧下面吊篮的扭转，须知吊篮的姿态才最终决定任务设备工作质量及用户满意度，即便不对上面巨大球体进行旋转，也需非常重视对风场扰动造成的扭转进行反捻控制、实现与方位控制的解耦。红外热气球作为一种通过被动热方案，尽管可以在一定程度上缓解压差不利变化，但其对工作高度保持也带来不利影响，晚上高度比白天高度低10km，并且仅仅坚持了第5天就结束任务了。综上所述，目前还缺少能够有效进行气球压差保持、实现昼夜循环的主动控制方案，使得气球的飞行安全性没有从根本上得到保证，从而影响了高空气球的持久驻空能力；目前更没有通过配备完整的驱动手段，实现压差保持和高度控制之间的协调，削弱了高空气球的有效工作质量。
技术实现思路
为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种带有相变调节气囊的高空气球。为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种带有相变调节气囊的高空气球，包括主气囊；用于装备任务设备及载荷的载荷吊篮；用于直接或间接调节高空气球压差，使得气球在高度变化时压差保持在安全范围内的相变调节气囊；用于填充相变调节气囊的相变工质气体；用于调控相变调节气囊内相变工质气体体积的相变设备；相变设备包括将相变工质气体液化/凝华的液化/凝华装置；将相变工质气化/升华的气化/升华装置；储存液相/固相工质的储罐；相变电子及配件；用于控制相变设备，在不改变整个气球系统重量的前提下改变相变调节气囊的体积，从而引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内的控制系统。进一步地，相变调节气囊可为单一配置于主气囊的内部、单一配置于主气囊外部、复合配置于主气囊的内部、复合配置于主气囊的外部、单一内外混合配置、复合内外混合配置。进一步地，配置于主气囊外部的相变调节气囊，通过相变设备改变相变调节气囊的体积大小，从而直接改变气球的高度，间接改变气球的压差，可使气球压差保持在安全范围内。进一步地，当主气囊的压差超过保守上限时，通过液化/凝华装置将相变调节气囊中的相变工质气体液化/凝华，从而使相变调节气囊的体积减小，直接引起气球的浮力减小，高度下降，于是周围大气压增大，间接导致气球的压差减小；当主气囊的压差超过保守下限时，通过气化/升华装置将储罐内的液相/固相工质气化/升华成相变工质气体输送到相变调节气囊内，使相变调节气囊的体积增大，直接引起气球的浮力增加，高度上升，于是周围大气压减小，间接导致气球的压差增加。进一步地，配置于主气囊内部的相变调节气囊，气球利用改变内置式相变调节气囊的体积，直接引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内。进一步地，主气囊的压差超过保守上限时，则通过液化/凝华装置将相变调节气囊中的相变工质气体进行液化/凝华，可以使相变调节气囊的体积减小、为升力气体留出膨胀空间，于是升力气体的体积扩张，内部压力及主气囊的压差减小，可减缓压差上升趋势；当主气囊的压差超过保守下限，则通过气化/升华装置将储罐中的液相/固相工质进行气化/升华，可以使相变调节气囊的体积增大，于是升力气体的体积收缩，内部压力及主气囊302的压差增大。进一步地，复合配置的主气囊内还设置有内部空气囊，并且设置气泵吸进或排除内部空气囊中的空气以改变内部空气囊的体积，从而改变主气囊的压差，为相变调节气囊提供有利的压差条件，辅助进行高度变更，并使得气球压差保持在安全范围内。进一步地，内部空气囊配置在内置的相变调节气囊内部，在需要降低高度时，首先通过液化/凝华装置收缩相变调节气囊，升力气体体内散开、压力减小，把压差降到容许的安全压差下限附近，以便气泵吸气的流率尽可能大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有相变调节气囊的高空气球，其特征在于：包括/n主气囊(302)；/n用于装备任务设备及载荷的载荷吊篮(308)；/n用于直接或间接调节高空气球压差，使得气球在高度变化时压差保持在安全范围内的相变调节气囊(330)；/n用于填充相变调节气囊的相变工质气体(332)；/n用于调控相变调节气囊内相变工质气体体积的相变设备；相变设备包括将相变工质气体液化/凝华的液化/凝华装置(336)；将相变工质气化/升华的气化/升华装置(338)；储存液相/固相工质的储罐(334)；相变电子及配件(340)；/n用于控制相变设备，在不改变整个气球系统重量的前提下改变相变调节气囊的体积，从而引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内的控制系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有相变调节气囊的高空气球，其特征在于：包括
主气囊(302)；
用于装备任务设备及载荷的载荷吊篮(308)；
用于直接或间接调节高空气球压差，使得气球在高度变化时压差保持在安全范围内的相变调节气囊(330)；
用于填充相变调节气囊的相变工质气体(332)；
用于调控相变调节气囊内相变工质气体体积的相变设备；相变设备包括将相变工质气体液化/凝华的液化/凝华装置(336)；将相变工质气化/升华的气化/升华装置(338)；储存液相/固相工质的储罐(334)；相变电子及配件(340)；
用于控制相变设备，在不改变整个气球系统重量的前提下改变相变调节气囊的体积，从而引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内的控制系统。


2.根据权利要求1所述的带有相变调节气囊的高空气球，其特征在于：所述相变调节气囊可为单一配置于主气囊的内部、单一配置于主气囊外部、复合配置于主气囊的内部、复合配置于主气囊的外部、单一内外混合配置、复合内外混合配置。


3.根据权利要求2所述的带有相变调节气囊的高空气球，其特征在于：配置于主气囊外部的相变调节气囊，通过相变设备改变相变调节气囊的体积大小，从而直接改变气球的高度，间接改变气球的压差，可使气球压差保持在安全范围内。


4.根据权利要求3所述的带有相变调节气囊的高空气球，其特征在于：当主气囊的压差超过保守上限时，通过液化/凝华装置将相变调节气囊中的相变工质气体液化/凝华，从而使相变调节气囊的体积减小，直接引起气球的浮力减小，高度下降，于是周围大气压增大，间接导致气球的压差减小；
当主气囊的压差超过保守下限时，通过气化/升华装置将储罐内的液相/固相工质气化/升华成相变工质气体输送到相变调节气囊内，使相变调节气囊的体积增大，直接引起气球的浮力增加，高度上升，于是周围大气压减小，间接导致气球的压差增加。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智斌，郑威，祝榕辰，周东华，吴宏鑫，张晓军，苗景刚，张桂林，尹永娟，闻浚辰，
申请(专利权)人：山东科技大学，李智斌，
类型：发明
国别省市：山东;37