一種平流層飛艇壓力調控方法及其調控系統與流程
2023-06-12 12:33:21 1
本發明主要涉及到飛行器技術領域，特指一種平流層飛艇長時間工作的壓力調控方法及其調控系統。
背景技術：
平流層飛艇是一種輕於空氣的可控飛行器，主要依靠囊體結構內輕於空氣的浮升氣體產生浮力實現升重平衡，主要依靠太陽電池與儲能電池構成閉環能源系統實現長時穩定飛行，該類飛行器工作在距地面20千米附近的平流層高度區域，利用這個區域穩定的大氣環境，利用這個區域存在較低速度風場的特徵，通過較少推進能源抗風，結合閉環能源系統，可實現年量級的一個地區上空的駐空飛行能力。
平流層飛艇具有駐空時間長、可在一定範圍機動、不受複雜氣象環境影響、效費比高等優勢，可能攜帶多種不同任務載荷，完成對大範圍、長時間對地觀測、通信、導航等應用任務。與傳統飛機和衛星相比，平流層飛艇在「空域」和「時域」上具有無可替代的優勢，在軍民領域有廣泛的應用前景。
一般平流層飛艇由於體積巨大，從結構重量和安全性等方面綜合考慮常採用軟式充氣結構，通過主囊體充填一定浮升氣體，在獲得足夠浮力的同時，靠內外壓差來保持低阻的氣動和可操縱的設計外形。由於平流層飛艇的長期駐空能力是其區別與其他飛行器的核心特徵，也被稱為平流層衛星。
但在平流層飛艇長期駐空期間，白天太陽輻照導致囊體和內部浮升氣體溫度不斷上升，會致使平流層飛艇囊體內氣壓較大幅度增加，由於飛艇充氣結構尺寸巨大，蒙皮材料抗壓能力一定條件下，超大尺寸會帶來主囊體抗壓能力降低，這給蒙皮材料提出了非常苛刻的要求；夜晚囊體表面溫度降低，會導致平流層飛艇囊體內壓力較大幅度降低，不但飛艇外形難以保證，而且會造成浮力損失，引起飛艇下降；若按照夜晚設置超壓保形狀態，白天溫度高時壓力會有大幅增加，高承壓狀態下充氣結構安全性問題突出；另外一方面在大壓差條件下，浮升氣體滲漏損失較大，浮力經過晝夜循環損失大，無法長期運行。
現在晝夜溫度差異造成的主囊體壓力波動，仍是平流層飛艇實用化的絆腳石，目前壓力調控方法多採用在壓力高時釋放浮升氣體，夜晚拋沙減小系統重量的方法條件，這會造成系統運行狀態的不可逆，平流層飛艇無法實現其長期運行。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種可長期重複使用、功耗較小、環境適應性好的平流層飛艇壓力調控方法及其調控系統。其可以解決當前平流層飛艇長期運行過程中晝夜狀態變化導致的不可逆的壓力調控方式，促進平流層飛艇儘快進入實用化。
本發明採用的技術方案是：
一種平流層飛艇壓力調控方法，在平流層飛艇的主囊體內部設置有壓力調控囊體，主囊體內因晝夜運行過程中溫度變化而導致主囊體內浮升氣體壓力升高或降低，通過將主囊體內的部分浮升氣體壓入或放出壓力調控囊體實現壓力調節，使主囊體壓力保持穩定。
進一步地，通過在主囊體上設置壓力傳感器實時檢測主囊體內部或其內外壓力變化。
進一步地，當主囊體壓力升高時，將主囊體中部分浮升氣體壓入壓力調控囊體；當主囊體壓力降低時，將壓力調控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，使主囊體壓力保持穩定，從而實現平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓力波動小。由於主囊體內/外壓較小且穩定，柔性蒙皮構成的主囊體結構可以優化設計，且對製作主囊體的蒙皮材料的強度要求降低，這樣不但可使平流層飛艇性能大幅提升，同時可以解決常規飛艇方案晝夜壓差波動導致的結構安全難題。另外，由於主囊體內外壓差較小，浮升氣體在較小壓差下通過蒙皮滲漏損失較小，降低了長時間持久運行補充的難度，可解決平流層飛艇長期運行中浮力損失導致的高度保持難題。
一種平流層飛艇壓力調控系統，包括平流層飛艇的主囊體，其特徵在於，在主囊體內部腔體內設置有壓力調控囊體、與壓力調節囊體連接的一個以上的閥門以及與壓力調節囊體連接的一個以上的風機，所述閥門的一端均通過管路與壓力調節囊體的內部空腔聯通，閥門的出口聯通主囊體內部腔體，閥門實現將壓力調控囊體內的氣體放出到主囊體內；所述風機的出風口均通過管路與壓力調節囊體的內部空腔聯通，風機實現將主囊體內的氣體吸入壓力調節囊體內。當主囊體壓力高時，通過位於主氣囊內但連接在壓力調控囊體上的風機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調控囊體內，降低主氣囊壓力。當主囊體壓力低時，通過位於主氣囊內但連接在壓力調控囊體上的閥門，將壓力調控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，從而克服平流層飛艇晝夜工作溫度變化引起主囊體壓力波動，實現平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓差小，工作穩定，且浮升氣體質量在較小壓差下損失微弱，可解決平流層飛艇經歷多次晝夜長期運行過程中，壓力波動導致的結構安全和浮升氣體損失導致的高度保持難題。
進一步地，在主囊體上設置有一個以上的用於測量主囊體內外壓力變化的壓力傳感器。
進一步地，還包括壓力調節控制器，所述壓力傳感器、閥門以及風機均與壓力調節控制器連接。壓力傳感器實時檢測主囊體內外壓力變化信號，並將該信號發送給壓力調節控制器，壓力調節控制器根據壓力傳感器測量到的數據對閥門或風機進行控制；
當主囊體壓力高時，開啟風機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調控囊體，降低主氣囊壓力；當主囊體壓力低時，開啟閥門，將壓力調控囊體中的部分浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力。
進一步地，可以在主囊體內部腔體內設置多個壓力調控囊體。每個壓力調控囊體上均連接有一個以上的閥門以及一個以上的風機。同樣的所述閥門的一端均通過管路與對應的壓力調節囊體的內部空腔聯通，閥門的出口聯通主囊體內部腔體，閥門實現將壓力調控囊體內的氣體放出到主囊體內；所述風機的出風口均通過管路與對應的壓力調節囊體的內部空腔聯通，風機實現將主囊體內的氣體吸入壓力調節囊體內。壓力調節控制器實現對各個壓力調控囊體上的閥門以及風機的控制。
進一步地，所述主囊體一般採用氣動外形和容積率耦合優化的旋成體外形，採用輕質蒙皮材料構造，通過充填浮升氣體實現浮力與重量平衡，通過較小壓差實現柔性充氣式的低阻氣動外形。由於存在由壓力調控囊體、閥門、風機、壓力傳感器以及壓力調節控制器等構成的壓力調控裝置，主囊體結構的內外壓差可以優化設計，壓差較小，且穩定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)。本發明的主囊體對蒙皮材料的要求可以大大降低，可以降低蒙皮材料面密度和透氦率要求，採用低面密度度材料的結構質量大大降低，系統綜合性能提升，且結構安全性大大增強。
進一步地，所述壓力調控囊體一般設計為具有較優承壓性能的球形或柱形。壓力調節囊體採用高強囊體材料製成，其通過懸線或其他柔性結構連接主囊體使其定位在主囊體內部。壓力調控囊體加工製造工藝簡單，主要用於調節主囊體的壓力變化；由於位於主囊體內，所以不用考慮氣動外形和與外部複雜結構等因素，設計外形和材料利用可優化，還可分散主囊體上集中力，提供飛艇整體結構剛度和可靠性，但不用對浮升氣體滲漏指標提過高要求，浮升氣體滲漏後直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。
本發明的有益效果在於：
本發明提供的一種平流層飛艇壓力調控系統，該系統創新地在主囊體中設置壓力調控囊體，用於將主囊體內因溫度變化而升高或降低的壓力，通過將部分浮升氣體壓入或放出壓力調控囊體來進行調節。並通過設置壓力傳感器感知主囊體內部或內外壓力變化，通過壓力調節控制器操縱風機和閥門實現穩定壓力調控，當主囊體壓力升高時，通過風機將主囊體中的部分浮升氣體壓入調控囊體；當主囊體壓力降低時，通過閥門將壓力高的部分浮升氣體放出到主氣囊，從而實現平流層飛艇長時間工作主囊體壓力波動小。
由於主囊體內/外壓較小且穩定，柔性蒙皮構成的主囊體結構可以優化，對蒙皮材料的強度要求降低，不但可使平流層飛艇性能大幅提升，同時可以解決常規飛艇方案晝夜壓差波動導致的結構安全難題；另外，由於主囊體內外壓差較小，浮升氣體在較小壓差下通過蒙皮滲漏損失微弱，降低了長時間持久運行補充的難度，可解決平流層飛艇長期運行中浮力損失導致的高度保持難題。
主囊體可採用輕質蒙皮材料構造，通過充填浮升氣體實現浮力與重量平衡，通過較小壓差實現柔性充氣式的低阻氣動外形。由於存在由壓力調控囊體、閥門、風機、壓力傳感器以及壓力調節控制器等構成的壓力調控裝置，主囊體結構的內外壓差可以優化設計，壓差較小，且穩定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)，對蒙皮材料的要求大大降低，可以降低蒙皮材料面密度和透氦率要求，結構質量大大降低，系統綜合性能提升，且結構安全性大大增強。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。
本發明提供一種平流層飛艇壓力調控方法，在平流層飛艇的主囊體1的內部腔體內設置有壓力調控囊體2，主囊體內因晝夜運行過程中溫度變化而導致主囊體內浮升氣體壓力升高或降低，通過在主囊體1上設置壓力傳感器5實時檢測主囊體1內部或其內外壓力變化，主囊體1內升高或降低的壓力通過將主囊體1內的部分浮升氣體壓入或放出壓力調控囊體2實現壓力調節，使主囊體壓力保持穩定。
當主囊體壓力升高時，將主囊體中部分浮升氣體壓入壓力調控囊體；當主囊體壓力降低時，將壓力調控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，使主囊體壓力保持穩定，從而實現平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓力波動小。
如圖1所示，本發明一種平流層飛艇壓力調控系統，包括平流層飛艇的主囊體1和壓力調節控制器6。在主囊體1上設置有一個以上的用於測量主囊體內外壓力變化的壓力傳感器5。在主囊體1內部腔體內設置有壓力調控囊體2、與壓力調節囊體2連接的一個以上的閥門3以及與壓力調節囊體2連接的一個以上的風機4，所述閥門3的一端均通過管路與壓力調節囊體2的內部空腔聯通，閥門3的出口聯通主囊體1內部腔體，閥門3實現將壓力調控囊體2內的氣體放出到主囊體1內；所述風機4的出風口均通過管路與壓力調節囊體2的內部空腔聯通，風機4實現將主囊體1內的氣體吸入壓力調節囊體2內。所述壓力傳感器5、閥門3以及風機4均與壓力調節控制器6連接。壓力傳感器5實時檢測主囊體1內外壓力變化信號，並將該信號發送給壓力調節控制器6，壓力調節控制器6根據壓力傳感器測量到的數據對閥門或風機進行控制：當主囊體壓力高時，開啟風機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調控囊體，降低主氣囊壓力；當主囊體壓力低時，開啟閥門，將壓力調控囊體中的部分浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，從而實現平流層飛艇長時間工作主囊體壓力壓力調控。
進一步地，本發明可以在主囊體1內部腔體內設置多個壓力調控囊體2。每個壓力調控囊體2上均連接有一個以上的閥門3以及一個以上的風機4。同樣的所述閥門3的一端均通過管路與各自對應的壓力調節囊體2的內部空腔聯通，閥門3的出口聯通主囊體1內部腔體，閥門實現將壓力調控囊體內的氣體放出到主囊體內。所述風機4的出風口均通過管路與各自對應的壓力調節囊體2的內部空腔聯通，風機實現將主囊體內的氣體吸入壓力調節囊體內。壓力調節控制器實現對各個壓力調控囊體上的閥門以及風機的控制。
所述主囊體1一般採用氣動外形和容積率耦合優化的旋成體外形，採用輕質蒙皮材料構造，通過充填浮升氣體實現浮力與重量平衡，通過較小壓差實現柔性充氣式的低阻氣動外形。由於存在由壓力調控囊體、閥門、風機、壓力傳感器以及壓力調節控制器等構成的壓力調控裝置，主囊體結構的內外壓差可以優化設計，壓差較小，且穩定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)。本發明的主囊體對蒙皮材料的要求可以大大降低，可以降低蒙皮材料面密度和透氦率要求，採用低面密度度材料的結構質量大大降低，系統綜合性能提升，且結構安全性大大增強。
所述壓力調控囊體2一般設計為具有較優承壓性能的球形或柱形。壓力調節囊體採用高強囊體材料製成，其通過懸線7或其他柔性結構連接主囊體使其定位在主囊體內部。壓力調控囊體加工製造工藝簡單，主要用於調節主囊體的壓力變化；由於位於主囊體內，所以不用考慮氣動外形和與外部複雜結構等因素，設計外形和材料利用可優化，還可分散主囊體上集中力，提供飛艇整體結構剛度和可靠性，但不用對浮升氣體滲漏指標提過高要求，浮升氣體滲漏後直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。
通常壓力調控囊體2的體積大小由晝夜壓力波動範圍確定，受蒙皮材料本身輻照和飛艇工作特性影響，如晝夜溫差達50k左右的平流層飛艇，壓力調控囊體2的體積約為飛艇總體積的1/4以上。考慮到現有蒙皮材料性能和不同形狀材料力學性能利用率等特點，較大尺寸的氣囊可以採用多個優化子氣囊的組合。由於壓力調控囊體位於主囊體內，所以不用考慮氣動外形和與外界吊艙等承力結構連接，設計外形和蒙皮材料利用可優化，如柱狀氣囊材料考慮經向和緯向差異設計。壓力調控囊體2的蒙皮材料選擇重點是高比強度，用於承受大的壓強，由於在主氣囊內，調節氣囊不用過高要求浮升氣體滲漏指標、抗外界環境指標，蒙皮材料設計因素較為單一，指標比現有綜合指標要求可大幅提升，浮升氣體滲漏後直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。
如圖1所示的風機4，可以採用多個風機組合工作模式，以增加系統性能和可靠性；風機採用電驅動模式，風機安裝在壓力調節囊體上，進風口與主囊體內部腔體相連，出風口與壓力調控囊體聯通。風機由壓力調節控制器控制，風機通過壓力調節控制器進行開關控制和壓力調節控制，用於將主囊體內的部分浮升氣體提升壓力後，壓力提升能力要求較高，一般應可以達到5KPa以上，輸送主氣囊中部分浮升氣體進入壓力調控囊體，調節因浮升氣體溫度升高導致的主囊體壓力升高。
如圖1所示的閥門3，可以採用多個閥門組合工作模式，以增加系統性能和可靠性；閥門採用電磁控制，安裝在壓力調控囊體上，並與主囊體相連。閥門由壓力調節控制器控制，用於將壓力調控囊體中高於主囊體的部分浮升氣體放出，輸送進入主囊體，補充因為浮升氣體溫度降低導致的主囊體壓力降低，閥門應滿足在內外5KPa以上環境下的可靠工作。
如圖1所示的壓力傳感器5，其包含一組內部和外部壓力傳感器，安裝在主囊體上1，且與壓力調節控制器6連接上。壓力傳感器用於感受主囊體內壓力絕對值，或主囊體與外界環境的壓力差，並將多組測量信息發送給壓力調節控制器，考慮到外界環境壓力特徵，壓力傳感器應在4.5KPa—6KPa範圍內工作，且精度至少高於5Pa。
如圖1所示的壓力調節控制器，其依據壓力傳感器測量數據，當主囊體壓力高時，通過風機將浮升氣體壓入壓力調控囊體，減小和穩定主氣囊壓力值，且該類情況主要出現在能源較為充足的白天，風機工作有可靠能源保障，壓入過程較為可靠；當主囊體壓力低時，通過閥門將壓力調控囊體中壓力較高的浮升氣體放出到主氣囊，保障主囊體不會因為溫度較低導致壓力降低，該類情況主要出現在夜晚，放氣過程由浮升氣體的壓力勢能保障，不需要加入過多能量，排氣過程較為可靠。
以上包含了本發明優選實施例的說明，這是為了詳細說明本發明的技術特徵，並不是想要將發明內容限制在實施例所描述的具體形式中，依據本發明內容主旨進行的其他修改和變型也受本專利保護。本發明內容的主旨是由權利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。