申请/专利权人：广东高空风能技术有限公司

申请日：2019-01-29

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN109703730B

主分类号：B64B1/50

分类号：B64B1/50

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.05.03#公开

摘要：本发明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。

主权项：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；伞体301上设有导流孔；所述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的下部设有第二导流孔；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；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；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。

全文数据：一种高空系留气球及其控制方法技术领域本发明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。背景技术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的发明专利，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。发明内容本发明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。本发明还提供了一种上述高空系留气球的控制方法。本发明采取的技术方案是，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。本发明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。在本发明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。在本发明中，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一个较大的举力，提高系留气球的抗风能力。作为一种优选的方案，为了进一步提升系留气球的稳定性，本方案在辅助伞系统还设有伞耳，伞耳与第一伞绳第二伞绳连接。一种上述的高空系留气球的控制方法，根据实时的风速信息计算出辅助伞系统的受风面积，以使得系留气球与地面之间的倾斜角度保持在设定角度范围内；其中，辅助伞系统的受风面积通过控制第一调节绳和第二调节绳长度来调节。作为一种优选的方案，设定的系留气球与地面之间的倾斜角度的范围为15°～80°。优选，设定的系留气球与地面之间的倾斜角度的范围为30°～60°。具体地，上述的高空系留气球的控制方法，包括以下步骤：a获取实时风速信息v；b根据实时风速信息分别计算出第一调节绳和第二调节绳长度；c调节第一调节绳和第二调节绳长度达到计算值。作为一种优选的方案，步骤b的计算方法为：设定第一调节绳的长度为l3，第一调节绳的长度为l4，根据实时风速信息v计算出k值，k＝l3l4，最后根据计算得到的k值调整第一调节绳和第二调节绳的长度。与现有技术相比，本发明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，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。附图说明图1为实施例1所提供的高空系留气球的结构示意图。附图标记：100.球体；200.主缆绳；201.球体分缆绳；301.伞体；302.辅助伞缆绳；3021.第一伞绳；3022.第二伞绳；3023.第一调节绳；3024.第二调节绳；303.伞耳。具体实施方式本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。实施例1如图1所示，本实施例提供了一种高空系留气球，包括球体系统1、系缆系统2和辅助伞系统3。其中，球体系统1包括能充入气体的球体100，球体100的形状不需局限在现有技术中常用的扁球体，还可以且优选采用圆形球体。球体100可以是氦气球或充有其他密度小于空气的气体的气球。球体100采用气密性良好的、耐气候老化的轻质柔性复合材料制作。为了抵抗温差变化及升空高度增加所带来的囊体压差升高，球体100还可采用高强、轻质柔性复合材料，如以芳纶、或超高分子聚乙烯、或Vectran织物为基础的复合材料制成。一般情况下，温差变化越大、升空高度越高，柔性复合材料的强度要求越高。球体100还可以采用高延伸率轻质柔性复合材料，如以尼龙、或涤纶为基础的复合材料制成；或，采用PU、PE等高分子膜材制成。一般来说，采用这种柔性复合材料还可以大幅降低系留气球球体100的制造成本。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。球体分缆绳201为多根，所有的球体分缆绳201上端与球体100连接、下端汇聚并连接于主缆绳200的上端。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。其中，伞体301可以设置在球体100的任何位置，可以设置在球体的上部、下部或者是球体的中部。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，第一调节绳3023和第二调节绳3024的长度是可以调节的。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。本实施例将伞体301分为两部分：上伞体和下伞体，通过第一调节绳3023和第二调节绳3024分别控制上伞体和下伞体的受风面积，如此，使得在有风时，风经伞体301的迎风面进入辅助伞内部流动，通过控制上伞体和下伞体中的风流使得辅助伞系统受到沿竖直面向上的力大于沿水平面的力，从而使得高空系留气球获得额外的升力，如此，使得系留气球在风速较大的情况下仍能保持足够大的倾斜角度，使得高空系留气球具有较强的抗风能力。第一伞绳3021和第二伞绳3022可以和伞体301的自由端或靠近自由端的任意位置连接。由于伞体不一定是规则的圆形或圆环状，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很可能不相同。其中，伞体顶部指的是伞体和球体的连接处。因此，为了便于调节伞体的迎风面积，便于计算，本实施例中设定，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。在本实施例中，为了简化辅助伞系统制造难度，设置第一伞绳3021与伞体301至少有两个连接点，一个是伞体301和球体100的连接处，另一个是伞体301的自由端。同样的，第二伞绳3022与伞体301也至少有两个连接点，一个是伞体301和球体100的连接处，另一个是伞体301的自由端。如此，只需设置第一伞绳3021的长度等于第二伞绳3022的长度即可。在本实施例中，伞体301上设有导流孔，包括设在伞体左右两侧的第一导流孔，以伞体两侧设置的第一导流孔为界，设有第二导流孔的伞体为第一伞体，未设置第二导流孔的伞体为第二伞体；第一伞体的长度大于第二伞体的长度。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，同时该导流孔破坏了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向上的举力，因此有助于提高辅助伞系统的升力。此外，还可以设置下伞体的下部设有第二导流孔，下伞体的长度大于上伞体的长度。而第一导流孔仍然设置在第二导流孔的两侧，可以是设置在上伞体上，也可以设置在下伞体，还可以设置在上伞体和下伞体之间。在有风的情况下，长度更长的第一伞体部分作为迎风面，系留气球偏离竖直，第一伞体则位于球体的下部，由于第一伞体的下部设有第二导流孔，第二导流孔引导气流向下流出，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一个较大的举力，提高系留气球的抗风能力。其中，为了增强对气流的引导效果，第一导流孔为竖孔，第二导流孔为横孔。辅助伞系统3还设有伞耳303，伞耳303与第一伞绳3021第二伞绳3022连接。伞耳303有助于进一步提高系留气球的稳定性，防止其不稳定发生摆动。在实际应用中，操作人员在系留气球升空前，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，根据该风速范围，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所设定的角度范围内。优选，系留气球的倾角的预设角度范围为15°～80°。本实施例通过采用在系留气球的球体上设置一辅助伞的方式，在无风的情况下，球体能够依靠其自身的浮力保持在空中；在有风的情况下，则依靠辅助伞让系留气球的偏离角度不至于过大，维持在可接受范围内。本实施例结构简单，可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。本实施例采用辅助伞提高系留气球的抗风能力以及稳定性，还通过设置一侧的伞体较长，并在较长的伞体的下部设置导流孔，伞体两侧还设有第一导流孔，辅助伞的设计能够引导辅助伞中气流集中流向第一导流孔和第二导流孔，第一导流孔有助于进一步稳定气流的姿态，第二导流孔使得气球获得较大的举力，从而进一步增加气球所受到的向上的分力，使得气球的偏离角度减小，从而进一步提高系留气球的抗风能力。实施例2为了实现对系统的实时控制，提高控制的精确度，本实施例所提供的高空系留气球在实施例1的基础上，还设置有风速采集装置、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3023和第二调节绳3024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3023和第二调节绳3024的长度，然后根据计算结果控制调节装置对第一调节绳3023和第二调节绳3024的长度进行调节。其中，调节装置可以分别设置在第一调节绳3023和第二调节绳3024上，或者还可以设置在第一调节绳3023和第二调节绳3024与主缆绳的连接处。上述高空系留气球的控制方法，包括以下步骤：a获取实时风速信息v；b根据实时风速信息分别计算出第一调节绳和第二调节绳长度；c调节第一调节绳和第二调节绳长度达到计算值。作为一种优选的方案，步骤b的计算方法为：设定第一调节绳的长度为l3，第一调节绳的长度为l4，根据实时风速信息v计算出k值，k＝l3l4，最后根据计算得到的k值调整第一调节绳和第二调节绳的长度。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

权利要求：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3023和第二调节绳3024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3023和第二调节绳3024的长度，然后根据计算结果控制调节装置对第一调节绳3023和第二调节绳3024的长度进行调节。5.根据权利要求1至4任一项所述的高空系留气球，其特征在于，伞体301上设有导流孔。6.根据权利要求5所述的高空系留气球，其特征在于，所述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的下部设有第二导流孔。7.根据权利要求6所述的高空系留气球，其特征在于，所述第一导流孔为竖孔，所述第二导流孔为横孔。8.根据权利要求6或7所述的高空系留气球，其特征在于，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。9.根据权利要求1至4任一项或6或7所述的高空系留气球，其特征在于，辅助伞系统3还设有伞耳303，伞耳303与第一伞绳3021第二伞绳3022连接。10.根据权利要求3至9任一项所述的高空系留气球的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a获取实时的风速信息；b根据实时风速信息分别计算出第一调节绳3023和第二调节绳3024长度；c调节第一调节绳3023和第二调节绳3024长度达到计算值。

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