平臺浮空器的製作方法

2023-10-17 23:52:29 2

本發明涉及一種平臺浮空器，屬於臨近空間飛行器技術領域。

背景技術：

目前量子比特的研究正在進行中，尤其是量子中繼器的應用仍處於試驗階段。臨近空間是進行量子中繼器實驗的一個重要首要選擇空間。如果在平流層建立一種空間平臺基站，可以為即將到來的量子中繼器提供一種空中傳輸途徑。由於衛星到平流層的空間暢通無阻，能夠有效提升量子通信衛星的科研效率。

而目前的大多數科研用飛行器的飛行高度無法達到平流層高度，或者受到上升動力來源的制約，或者受到通信條件制約，或者受到材料制約。因此，如何利用地面到平流層這一段空間的風力將飛行器送上平流層，並且在平流層穩定運行，並且飛行器之間保持穩定通信，是現階段需要解決的難點問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種平臺浮空器，以氫氣包的浮力和仿昆蟲撲翼的上下抖動形成的升力作為持續上升動力，同時利用了近地空間至平流層的風力，能夠進入平流層並穩定運作，為未來量子中繼器實驗提供了良好的平臺基礎。

本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是：提供了一種平臺浮空器，包括主體艙和飛行翼，所述主體艙由3個以上按正多邊形分布的包箱構成，各包箱位於正多邊形的頂點位置，各包箱均設有豎直方向的風車以及由風車驅動的飛行翼，風車所在的平面與正多邊形的半徑共平面，風車的軸心設有與風車同步旋轉的轉動支架，轉動支架的中心與風車的軸心同軸，飛行翼由兩根硬性活動軸以及活動軸頂端的柔性仿昆蟲撲翼組成，飛行翼的兩根活動軸的末端分別固定於轉動支架的兩端，活動軸的首端與仿昆蟲撲翼連接，仿昆蟲撲翼朝向正多邊形的中心至包箱所在頂點的延長線；包箱內的空間分隔為用於安置儀器的儀器艙以及用於放置氫氣包的氫氣包艙；包箱的上方設有與風輪蓄電池連接的橫向風輪，包箱與風輪之間設有豎直風帆，風輪上方設有與風輪同軸的傘型導流罩，傘型導流罩內腔設有降落傘包和控制艙，控制艙內設有與降落傘包和風帆連接的控制模塊。所述傘型導流罩的上表面為平滑曲面或由一組三角形單元片組成的凸面；所述儀器艙內設有用於與其他臨近空間平臺和/或地面通信的5G通信模塊。

所述風帆數目為4，4個風帆構成橫截面為正方形的柱體的4個側面；或者風帆數目與包箱數目相同，各風帆構成橫截面為正多邊形的柱體的側面。

所述風帆為百葉窗型。

所述氫氣包艙的艙壁設有由活動閥門控制的通風孔蓋，氫氣包艙內設有與活動閥門連接的氫氣濃度傳感器。

所述飛行翼的兩根活動軸交叉分布，呈前後反相形式。

所述包箱的數目為4，各包箱均設有沿正方形點陣的對角線方向的通孔，通孔的近內側區域設有通過固定於通風孔內的旋轉軸豎直安裝的風車，風車的軸心安裝有與風車同步旋轉的轉動支架，轉動支架的中心與風車的軸心同軸；所述飛行翼的數量為4個，各飛行翼與包箱一一對應，飛行翼由兩根硬性活動軸以及活動軸頂端的柔性仿昆蟲撲翼組成，飛行翼的兩根活動軸的末端分別固定於轉動支架的兩端，活動軸的首端從包箱通孔的遠內側區域端伸出，再與仿昆蟲撲翼連接。

所述仿昆蟲撲翼與活動軸的長度比為3:3～5，風車的直徑與活動軸的長度比為3:3～4。

所述傘型導流罩的上表面鋪設有薄膜太陽能電池陣。

本發明基於其技術方案所具有的有益效果在於：

(1)本發明的一種平臺浮空器設有垂直的風輪，能夠隨時捕獲風能轉化為電能儲存在風輪蓄電池，為平臺浮空器上的其他設備提供電能；

(2)本發明的風輪發電主要靠風輪葉片轉動，其轉速決定發電能力，葉片如同被風撬動的槓桿，離風輪中心越遠產生能量越大；由於臨近空間(平流層)主要是垂直方向的氣流，垂直方向的風直接吹向風輪的中心對風輪轉動影響較小，本發明的一種平臺浮空器頂部設有傘型導流罩，位於風輪上方，能夠使原本從風輪中心流過的風通過傘型導流罩導流迴風輪葉尖部分，從而提高風輪捕獲的能量；

(3)本發明的一種平臺浮空器設有風帆，能夠通過控制風帆角度，通過改變與氣流接觸的有效表面積來改變對風力的利用率，需要向哪個方向運動就調整哪一面的風能利用有效面積，能夠使整個平臺浮空器穩定運行；

(4)本發明的一種平臺浮空器的飛行翼為仿昆蟲撲翼，能夠進行上下撲翼動作，利用了動態失速作為高升力，即往復運動距離僅有幾倍翼弦長度，以及絕對尺寸小、雷諾數低，延緩了失速渦流的脫落，因此可用的失速攻角達到30～45度，遠超普通機翼的失速攻角10～15度，使得升力成倍增加；並且在起飛的高功率狀態下兩翼達到最大振幅幾乎相碰，中間的空隙吸入、排出氣流可以短暫產生類似噴氣推進的反作用力；

(5)本發明的一種平臺浮空器可以在空艙的艙壁設有由活動閥門控制的通風孔蓋，空艙內設有與活動閥門連接的氫氣濃度傳感器夠隨時監測空艙內氫氣濃度，若超過氫氣的爆炸極限可以控制活動閥門打開通風孔蓋通氣以減小請其濃度，防止爆炸事故發生；

(6)本發明的儀器艙內設有用於與其他臨近空間平臺和/或地面通信的5G通信模塊，能夠在平流層環境進行超長距離通信，保證整個平臺浮空器與其他單元的持續聯繫；

(7)本發明的飛行翼尤其當採用前後反相雙撲翼撲動結構時，飛行最為穩定，風能利用率最大；

(8)當本發明的傘型導流罩的上表面鋪設有薄膜太陽能電池陣時，尤其適合；

(9)本發明的氫氣包(浮力來源)設置於整個平臺浮空器的下方，與現有的氣球飛艇類飛行器有所不同，能夠充分利用上方的氣流為整個平臺浮空器創造動力來源；

(10)目前，5G中長碼編碼已確認方案為LDPC(Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校驗碼)，不僅有逼近Shannon限的良好性能，而且解碼複雜度較低，結構靈活，是近年信道編碼領域的研究熱點，目前已廣泛應用於深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域，LDPC碼已成為第四代通信系統(4G)強有力的競爭者，而基於LDPC碼的編碼方案已經被下一代衛星數字視頻廣播標準DVB-S2採納。視頻廣播過程的視距傳播要求發射機與接收機之間沒有物體阻礙。由於地球曲率的影響，視距傳輸的距離有限，如果要進行遠距離傳輸，必須設立地面中繼站或衛星中繼站進行接力傳輸，這就是微波視距中繼和衛星中繼傳輸，光信號的視距傳輸也屬於此類。本發明的平臺浮空器能在高空甚至平流層飛行，相鄰平臺浮空器之間不存在阻礙物，尤其能給5G技術提供更合適的信道，解決光通信的距離問題。

附圖說明

圖1是本發明的一種平臺浮空器的結構示意圖。

圖2是本發明的風車及飛行翼結構示意圖。

圖3是本發明的風車及飛行翼結構示意圖。

圖4是本發明的仿蜻蜓撲翼示意圖。

圖5是本發明的仿昆蟲撲翼升力產生原理示意圖。

圖6是本發明的仿昆蟲撲翼在不同雷諾係數下的CFD模擬效果圖。

圖7是本發明的仿蟬撲翼示意圖。

圖8是本發明的前後反相雙撲翼原理示意圖。

圖9是本發明的一種平臺浮空器的氣流方向示意圖

圖中：1-降落傘包，2-控制模塊，3-控制艙，4-風輪，5-風輪蓄電池，6-風帆，7-連接柱，8-儀器艙，9-氫氣包艙，10-風車，11-仿昆蟲撲翼，1101-前緣脈，1102-結前橫脈，1103-次前橫脈，1104-翅結，1105-結後橫脈，1106-翅痔，1107-翅尖，1107-次脈，1109-中部主脈，1110-後緣脈，1111-翅根，12-傘型導流罩，13-轉動支架，14-活動軸。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

本發明提供了一種平臺浮空器，參照圖1、圖2和圖3，提供了一種平臺浮空器，包括主體艙和飛行翼，所述主體艙由3個以上按正多邊形分布的包箱構成，各包箱位於正多邊形的頂點位置。各包箱完全相同，由圖中儀器艙8和氫氣包艙9構成，保證了整個平臺浮空器的平穩。各包箱均設有豎直方向的風車10以及由風車10驅動的飛行翼，風車10所在的平面與正多邊形的半徑共平面，風車的軸心設有與風車同步旋轉的轉動支架13，轉動支架13的中心與風車10的軸心同軸，飛行翼由兩根硬性活動軸14以及活動軸14頂端的柔性仿昆蟲撲翼11組成，飛行翼的兩根活動軸14的末端分別固定於轉動支架13的兩端，活動軸14的首端與仿昆蟲撲翼11連接，仿昆蟲撲翼11朝向正多邊形的中心至包箱所在頂點的延長線；包箱內的空間分隔為用於安置儀器的儀器艙8以及用於放置氫氣包的氫氣包艙9；包箱的上方設有與風輪蓄電池5連接的橫向風輪4，包箱與風輪4之間設有豎直風帆6，風輪4上方設有與風輪同軸的傘型導流罩12，傘型導流罩12內腔設有降落傘包1和控制艙3，控制艙3內設有與降落傘包和風帆連接的控制模塊2。

具體地，參照圖2，本實施例的包箱的數目為4，包箱、風車和飛行翼可通過以下方式連接：包箱均設有沿正方形點陣的對角線方向的通孔，通孔的近內側區域設有通過固定於通風孔內的旋轉軸豎直安裝的風車，風車的軸心安裝有與風車同步旋轉的轉動支架，轉動支架的中心與風車的軸心同軸；所述飛行翼的數量為4個，各飛行翼與包箱一一對應，飛行翼的兩根活動軸的末端分別固定於轉動支架的兩端，活動軸的首端從包箱通孔的遠內側區域端伸出，再與仿昆蟲撲翼連接。

所述飛行翼的兩根活動軸交叉分布，呈前後反相形式。其原理如圖8所示，這種機構，兩撲翼反對稱撲動產生的力矩可完全相互抵消，不會對機身造成不平衡振動時產生的震動影響，使整個平臺浮空器保持平穩，且對風能利用率最大。

參照圖1，包箱與風輪4之間通過連接柱7支撐和固定，風帆數目為4(圖中只畫出了左邊風帆和右邊風帆)，4個風帆構成橫截面為正方形的柱體的4個側面。風帆數目也可以與包箱數目相同，各包箱上方各安裝一個風帆，各風帆構成橫截面為正多邊形的柱體的側面。

所述風帆可以是與帆船上類似的楊帆，也可以為百葉窗型。

所述氫氣包艙的艙壁設有由活動閥門控制的通風孔蓋，氫氣包艙內設有與活動閥門連接的氫氣濃度傳感器。

所述傘型導流罩的上表面為平滑曲面或由一組三角形單元片組成的凸面。

所述仿昆蟲撲翼與活動軸的長度比為3:3～5，風車的直徑與活動軸的長度比為3:3～4。

所述儀器艙內設有用於與其他臨近空間平臺和/或地面通信的5G通信模塊。

所述傘型導流罩的上表面鋪設有薄膜太陽能電池陣。

所述仿昆蟲撲翼11為柔性，採用圖4所示的仿蜻蜓撲翼或圖7所示的仿蟬撲翼(二者均為柔性仿昆蟲撲翼)，包括前緣脈1101、結前橫脈1102、次前緣脈1103、翅結1104、結後橫脈1105、翅痔1106、翅尖1107、次脈1108、中部主脈1109、後緣脈1110以及翅根1111。圖中所示描黑部位為撲翼較厚的部位，其餘部位輕而薄。因此仿昆蟲撲翼11的外輪廓支架可採用密度2.0g/cm3、彈性模量210GP的碳纖維梁，內部脈絡可採用密度4.5g/cm3、彈性模量104GP的鈦合金杆，翅膜可採用密度1.3g/cm3、彈性模量3GP的塑料膜。仿昆蟲撲翼11與活動軸14的長度比為3:3～5，風車10的直徑與活動軸14的長度比為3:3～4。具體地，可將各部位尺寸作以下設置：風車的直徑設置為1500mm，風車外輪由10根均勻輻射的輻條支撐，活動軸14的長度為2500mm，仿昆蟲撲翼的長度為1800mm。現有的仿昆蟲撲翼均停留在理論階段，並且一般作用於微型飛行器，本發明的平臺浮空器利用風車提供仿昆蟲撲翼的動力，實現了仿昆蟲撲翼很好的運動能力。

風輪蓄電池5可位於風輪中心下方、兩個風帆控制箱之間處，各部件間的排線可穿越風輪中心的中空軸部，避免風輪旋轉時對線路造成影響。

參照圖9，箭頭部分指示了部分空氣流動方向。本發明的平臺浮空器上層利用傘型導流罩引導氣流儘可能被風輪捕獲，風帶動風輪製造出儀器需要的電能存儲在風輪蓄電池5內。控制平臺浮空器中部風帆中多個封閉，所需方向的一面打開，以此控制平臺浮空器水平方向的運動方向。風帆截流的氣流向下走，為浮空器提供向上的反作用力；同時帶動浮空器底層的風車轉動，風車轉動為仿昆蟲撲翼提供能量上下扇動撲翼，從而產生向上的推力。

本發明的一種平臺浮空器的飛行翼為仿昆蟲撲翼，而非傳統飛行器採用的固定翼。參照圖5，是仿昆蟲撲翼升力產生原理示意圖，給出了A、B、C、D、E和F六種不同方向或大小的風力對仿昆蟲撲翼產生的影響。圖中，末端帶圓點的粗線段代表仿昆蟲撲翼及撲翼軸，水平方向的一組箭頭代表自然風力，單個粗箭頭代表升力，一對細箭頭代表漩渦造成的氣流方向，曲線箭頭為漩渦示意圖。可以看到仿昆蟲撲翼完全符合空氣動力學，能夠給整個平臺浮空器提供足夠的升力進入平流層。

圖6為ANSYS軟體模擬的仿昆蟲撲翼在不同雷諾係數下的CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)示意圖。可以看到，大雷諾係數下，撲翼的CFD與小雷諾係數下的差不多，只是漩渦情況有所區別。到實地試驗階段要注意看振幅/弦長的比值，越大越容易失速。如果雷諾數高了就要增加弦長減小振幅/弦長的比值。撲旋翼、撲翼、旋翼三者在小雷諾數下，撲旋翼效率最高。

本發明的一種平臺浮空器，以氫氣包的浮力和仿昆蟲撲翼的上下抖動形成的升力作為持續上升動力，同時利用了近地空間至平流層的風力，能夠進入平流層並穩定運作，為未來量子中繼器實驗提供了良好的平臺基礎。