一种高度与轨迹可控的高空气球.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105836097A(43)申请公布日2016.08.10(21)申请号201610190895.9(22)申请日2016.03.30(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人邓志诚祝明吕慧王杰(51)Int.Cl.B64B1/62(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图4页(54)发明名称一种高度与轨迹可控的高空气球(57)摘要本发明主要创新点在于提出了一种控制高空气球升降的装置和一种高空气球的轨迹控制方法。高空气球的浮力单元(1)由蒙皮、承力带、承力绳索等组成。本发明可通过设置在浮力单元(1)上的浮力单元体积调整装置(2)，改变浮力单元的体积，进而改变高空气球浮力，实现高空气球的上升和下降控制；并依据平流层不同高度的风速和风向差异实现高空气球的轨迹控制。本发明提供了一种无需释放高空气球内部浮升气体即可实现高空气球高度与轨迹控制的方案，使高空气球具备了长时区域驻留的能力。CN105836097ACN105836097A权利要求书1/1页1.一种高度与轨迹可控的高空气球，其特征在于：其应用范围如下：步骤1：为确定被动轨迹区域控制方案的合理性，首先要分析风向状况。北纬地区常年以东西风(纬向环流风)为主，20以上有稳定的东风，20km以下是稳定的西风。步骤2：上述东西风在大陆地区具有一定的普遍性。高空气球如能在飞行高度在20km附近的平流层高空气球能在5km范围内进行高度调整，则可根据当前飞行位置及区域控制需求，利用20km上下的东西风，并适时考虑经向风速的影响，实现在拟定飞行区域内的长时区域飞行。步骤3：高空气球升空至设计高度后，高空气球经地面测风雷达获知设计高度至设计高度以下5km的风速和风向，通过对比当前的飞行位置与拟定的飞行区域，调整浮力单元体积调整装置，降低高空气球高度至特定高度从而获取飞向拟定区域的动力。2.根据权利要求1所述的一种高度与轨迹可控的高空气球，其可行方案特征在于：关于平行四边形机构的具体实施方案：步骤1：体积调整装置采用平行四边形机构、变胞机构、柔性机构等使周长可控的机构来实现。这种构件呈平行四边形的平面连杆机构，它是一种铰链四杆机构。杆件中部由插销链接，杆件端部由球铰连接，沿着浮力单元囊体周向用小环扣把平行四边形机构固定在囊体上，沿囊体的表面固定在浮力单元上，固定后平行四边形机构在浮力单元囊体上可以沿周向随意伸缩，而且不会在囊体上有其他方向的位移。步骤2：高空气球的直径很大，可以将浮力单元调整平行四边形机构与囊体接触的面近似看成一个平面，在接头处的这个平面上可以安装一个电机，通过电机带动平行四边形机构中曲柄的运动，浮力单元囊体里面的压力大概在30000N，可以选取一个合适功率的电机，通过电机控制平行四边形机构的曲柄，改变平行四边形机构的角度，控制平行四边形的伸缩来调整浮力单元的体积。步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统控制电机正反转，实现体积的调整和高度的控制。关于IPMC的具体实施方案：步骤1：使用IPMC这种人工肌肉材料填充到中部承力囊体材料中来实现对囊体拉伸和收缩的改变。IPMC的激励信号为方波或正弦波，电压幅值在5V以下，频率为0.1～1Hz。首先需要通过将制备好的IPMC材料注入到囊体材料中，在中部承力的地方形成如图1所示的一个圆环。步骤2：在高空气球的控制系统里设计关于控制IPMC电流波形的电路，能够根据高空气球高度的需要，由控制系统对IPMC进行电流输入，IPMC材料通电后收缩或者拉伸，带动整个球体中部承力材料的变形。步骤3：通过高度和压力传感器获取的高度与压力数据，经控制系统对体积改变装置的控制，实现体积的调整和高度的控制。2CN105836097A说明书1/4页一种高度与轨迹可控的高空气球技术领域[0001]本发明涉及通用航空领域，可应用于各类高空浮空器的升降控制与轨迹控制，特点是通过体积调整装置调整高空气球的体积和浮力，并利用高空不同高度的风向和风速实现对高空气球的轨迹控制，整个过程无需释放浮空器内的浮空气体，系统的功耗小、结构简单、质量轻、成本低。背景技术[0002]高空浮空器是指依靠浮力升空，工作在18km及以上高度的飞行器。由于在距海平面20～100km的临近空间高度有着独特的资源优势，关于临近空间资源的开发和利用也是近年来各国科学家关注的重点，而高空浮空器则是开发临近空间资源的一个核心工具。高空浮空器作为临近空间的信息平台，可弥补通信手段不足和提高空间信息系统快速反应能力。与卫星和飞机等信息平台不同，它具有高的时间和空间分辨率，在功能上能够与极低轨的地球静止卫星相媲美。高空浮空器区别于其它飞行器的飞行特点决定着它在通信领域具有非