無人浮空器系統的製作方法
2023-05-19 07:00:46 2
無人浮空器系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種高效長航時無人浮空器系統，包括彈頭部(1)，杆體段(2)和推進段(3)。其中彈頭部(1)包括形狀相同的兩片中空的殼體(4)和氣囊(5)，杆體段(2)包括中空的圓柱體狀中心杆體(14)、三個杆體外板(8)、三個杆體外板連接機構(9)、凹槽形螺旋槳艙(10)、從螺旋槳艙(10)伸出的杆狀螺旋槳杆(11)、雙葉螺旋槳(12)和內部設備(13)，推進段(3)是一個內含燃料的火箭助推器。該系統可以實現對局部區域長時間的信息收集與傳遞。
【專利說明】無人浮空器系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及無人飛行器領域，具體涉及一種利用浮空器原理實現無人機的信息收集和通信功能的高效長航時無人浮空器系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著無人機技術和平臺的發展，無人機逐漸向多任務方向發展，在很多領域發揮了重要和不可替代的重要作用。現有民用無人機主要集中在小型航模及小型旋翼飛行器上，因為效能有限，它們並不適合、也不能滿足現今迅速增長的民用無人機需求。
[0003]由於無人機體積和動力有限，攜帶的燃料也很有限，所以續航時間不夠理想，由此影響到無人機的核心能力，即信息收集能力。雖然也有無人機通過採用超大展弦比機翼，並在其機翼上方鋪設太陽能電池板，兼有數臺航空電機交叉工作以提供持續不斷的動力，但其能源仍然入不敷出，並且這樣的結構使得無人機的機動性受到了很大的限制。
[0004]為增加無人機的續航時間，需要儘可能減輕無人機的重量，因此飛機材料及各種機載設備就要採用大量高強度、低密度的高級複合材料。此外，無人機普遍採用先進的全電式控制系統，這些會增加無人機維護維修的難度及費用。目前無人機的採購情況明顯和其發展投入不成正比，低採購數量導致無人機的單價居高不下。因此，從整體上看無人機的效費比較低。
【發明內容】
[0005]為了克服技術不足，本發明提供一種無人浮空器系統，包括彈頭部1，杆體段2和推進段3，其中:
[0006](I)彈頭部I包括形狀相同的兩片中空的殼體4和氣囊5，其中:
[0007]殼體4橫截面為半圓型，當殼體4處於拼接狀態時，通過頭部殼體連接機構15將兩片殼體4固定拼接在一起，殼體4內部的中空腔用於存放充氣前的氣囊5，當氣囊5充氣並迅速膨脹時，兩殼體4分開；兩片殼體4拼接後直徑12-16釐米，長38-42釐米，厚度
0.3-0.6釐米，殼體4的材料選用耐高溫的一次性複合材料；氣囊5採用層壓材料，由靠近外部大氣的防老化層、中間膠粘層和靠近氣囊內部氦氣的阻氣層組成；
[0008](2)杆體段2包括中空的圓柱體狀中心杆體14、三個杆體外板8、三個杆體外板連接機構9、凹槽形螺旋槳艙10、從螺旋槳艙10伸出的杆狀螺旋槳杆11、雙葉螺旋槳12和內部設備13，其中
[0009]杆體外板8與中心杆體14之間的連接是通過杆體外板8上的鎖鉤16與中心杆體14上的鎖芯17鎖定的，鎖鉤16與鎖芯17組合起來構成外板連接機構9 ;在無人浮空器系統未展開時，三片圓弧角度分別為120度的杆體外板8剛好覆蓋在中心杆體14上，保護螺旋槳艙10內的雙葉螺旋槳12，每個杆體外板8長度為60-80釐米，厚度為0.3-0.6釐米，杆體外板8的材料選用耐高溫的一次性複合材料；
[0010]中心杆體14的長度與杆體外板8的長度一致，三個螺旋槳艙10沿圓周方向均勻布置，每個螺旋槳艙10呈截面為長方形的槽狀，從中心杆體14凹進，在每個螺旋槳艙10內配置一個與其形狀相適應的雙葉螺旋槳12，螺旋槳艙10長30-40釐米，寬3-6釐米，深2_8釐米，螺旋槳杆11的一端與螺旋槳艙10連接，另一端與雙葉螺旋槳12固定連接，螺旋槳杆11可伸縮，每個螺旋槳杆11長6-10釐米，每個雙葉螺旋槳12直徑30-35釐米，在中心杆體14的中空內部安裝內部設備13，內部設備13包括氣體抽放系統803、控制系統804、通信系統805、機載設備系統807、高能蓄電池和高度傳感器；
[0011]其中通過緊固裝置將氣囊5的氣囊接口固連至杆體段2的上端面內側；
[0012](3)推進段3是一個內含燃料的火箭助推器，在助推器尾部沿圓周方向均勻分布四個與無人浮空器系統軸線平行的梯形安定面，推進段3的直徑與杆體段2相同，推進段3的長度為20-40cm，其中
[0013]通過中心杆體14上的舵機18和推進段3頂部的卡槽19實現推進段3與杆體段2的卡槽連接。
[0014]在本發明的一個實施例中，頭部殼體連接機構15由鎖鉤6和鎖芯7組成，鎖鉤6和鎖芯7相向的一端可扣在一起形成扣緊的拼接配合，相反的一端分別固定連接到兩片殼體4的大約中段內壁上。
[0015]在本發明的一個實施例中，彈頭部I的兩片殼體4拼接後直徑為14釐米，長度為40釐米，厚度為0.5釐米，殼體4選用碳纖維複合材料；氣囊5的防老化層選用聚氟乙烯，阻氣層選用聚醋薄膜。
[0016]在本發明的一個實施例中，彈頭部I的兩片殼體4拼接後直徑為14釐米，長度為40釐米，厚度為0.5釐米，殼體4選用環氧樹脂複合材料；氣囊5的防老化層選用聚氟乙烯，阻氣層選用聚醋薄膜。
[0017]在本發明的一個實施例中，杆體段2的每個杆體外板8長度為70釐米，厚度為0.5釐米，杆體外板8選用碳纖維複合材料；螺旋槳艙10長34釐米，寬4釐米，深4釐米；雙葉螺旋槳12直徑32釐米。
[0018]在本發明的另一個實施例中，杆體段2的每個杆體外板8長度為70釐米，厚度為
0.5釐米，杆體外板8選用環氧樹脂複合材料；螺旋槳艙10長34釐米，寬4釐米，深4釐米；雙葉螺旋槳12直徑32釐米。
[0019]在本發明的一個實施例中，推進段3的長度為30cm。
[0020]本發明的無人浮空器系統，由浮力系統801、動力系統802、氣體抽放系統803、控制系統804、通信系統805、能源系統806等組成，其中
[0021]浮力系統801，其由一個充氣時直徑3-5米的彈性氣囊5組成，氣囊中可充入氦氣;
[0022]動力系統802，其包括推進段3和位於螺旋槳艙10內的三組雙葉螺旋槳12 ;動力系統802和浮力系統801 —起用於控制系統的垂直方向與水平方向的運動；
[0023]氣體抽放系統803位於杆體段2內部的內部設備13中，主要由流量計22、高壓儲氣瓶23、充氣閥門24、抽氣閥門25，抽氣機匣26和增壓器27組成；充氣時，高壓儲氣瓶23內存儲高壓氦氣，控制系統804控制充氣閥門24打開，高壓氦氣從高壓儲氣瓶23充入氣囊5，充氣後，控制系統804控制充氣閥門24關閉；放氣時，抽氣閥門25打開，抽氣機匣26進行抽氣，氣囊5內的氣體被抽進增壓器27，在增壓器27內增壓後充進高壓儲氣瓶23 ；
[0024]控制系統804，其主要由微型機載計算機組成，位於杆體段2內部的內部設備13中，用於控制各系統協同工作；
[0025]通信系統805，其由接收天線與通信雷達組成，位於杆體段2內部的內部設備13中，用於與中繼衛星進行實時數據交流，也可與其他終端設備進行數據交流；
[0026]能源系統806，其由位於氣囊5表面的太陽能電池薄膜及內部設備13中的高能蓄電器組成，負責電能的獲取與存儲。
[0027]在本發明的一個實施例中，無人浮空器系統還可包括機載設備系統807，其位於杆體段2內部的內部設備13中，用於執行任務。
[0028]在本發明的一個實施例中，無人浮空器系統還可以不安裝彈頭部I的兩片殼體4和推進段3，在地面通過控制系統804控制氣囊5充氣，利用氣囊5的浮力使簡易浮空器升空。
[0029]本發明的無人浮空器系統能夠將浮空器技術與無人機相結合，有效利用浮空器的浮空原理解決現有無人機續航能力較差的弱點，從而實現無人機的超長航時。本發明的系統便於攜帶，使用方便，整體結構簡單，材料加工工藝及結構材料要求不高，整體設計均在現有科技水平下進行，宜於推廣使用，效費比較高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1示出根據本發明實施例的無人浮空器系統發射型組合體整體外形圖；
[0031]圖2示出根據本發明實施例的無人浮空器系統彈頭部展開圖；
[0032]圖3示出根據本發明實施例的無人浮空器系統頭部殼體和杆體外板與系統連接關係的整體圖與局部放大圖；
[0033]圖4示出根據本發明實施例的無人浮空器系統杆體展開圖；
[0034]圖5示出根據本發明實施例的無人浮空器系統推進段外形圖；
[0035]圖6示出根據本發明實施例的無人浮空器系統杆體段和推進段連接關係的整體圖和局部放大圖；
[0036]圖7示出根據本發明實施例的無人浮空器各系統協同工作的原理框圖；
[0037]圖8示出根據本發明實施例的無人浮空器氣體抽放系統的工作原理框圖；
[0038]圖9示出根據本發明實施例的無人浮空器通信系統的工作原理框圖；
[0039]圖10示出根據本發明實施例的無人浮空器系統空中展開後的結構圖。
【具體實施方式】
[0040]本發明提供一種高效長航時無人浮空器系統，可以實現對局部區域長時間的信息收集與傳遞；可以實現地形勘測，自然災害監控等。無人浮空器系統結構部分包括彈頭部1，杆體段2和推進段3。整體外形圖如圖1所示。
[0041 ] 如圖2所示，彈頭部I包括形狀相同的兩片中空的殼體4和氣囊5。殼體4橫截面為半圓型。當無人浮空器系統未達到空中打開高度時，兩片殼體4通過頭部殼體連接機構15固定拼接在一起，其中頭部殼體連接機構15由帶一定杆體長度的鎖鉤6和鎖芯7組成，如圖3中左側的局部放大圖所不。鎖鉤6和鎖芯7相向的一端可扣在一起形成扣緊的拼接配合，相反的一端分別固定連接到兩片殼體4的大約中段內壁上。在無人浮空器系統高速向上運動時，氣動力的作用方向只沿鎖鉤6桿體的方向，這種情況是無法將鎖解開的，殼體4處於拼接狀態，可為無人浮空器系統高速向上運動過程提供良好的氣動外形。殼體4內部的中空腔用於存放充氣前的氣囊5，在杆體段2臨近彈頭部I的上端面內側有一個環形的氣囊接口(圖中未示出)，如本領域技術人員能夠理解的那樣，環形氣囊接口的形狀與杆體段2臨近彈頭部I的上端面的形狀相適應，環形氣囊接口的直徑優選為5釐米。作為連接氣囊開口部分的固定接口，氣囊接口與杆體段2臨近彈頭部I的上端面之間由連接片固定，連接片與氣囊接口通過膠粘劑粘合，並利用周向均勻分布的四個螺栓的緊固裝置進行加強固定。氣囊5與杆體段2之間的連接也可以採用例如汽車安全氣囊的氣囊連接器完成。當氣囊5在控制系統控制下充氣並迅速膨脹時，將對鎖鉤6上產生較大的衝力，力的方向垂直於鎖鉤6桿體方向，因此很容易將鎖鉤鎖芯分開，兩殼體4在氣動力和重力作用下隨即分開，如圖2所示。
[0042]彈頭部兩片殼體4拼接後直徑12-16釐米，優選14釐米；長38-42釐米，優選40釐米；厚度0.3-0.6釐米，優選0.5釐米。殼體4的材料選用耐高溫的一次性複合材料，例如碳纖維或環氧樹脂複合材料；氣囊5採用層壓材料，該材料由靠近外部大氣的防老化層、中間膠粘層和靠近氣囊內部氦氣的阻氣層組成。防老化層選用聚氟乙烯，它不僅在各種酸、鹼、溶劑環境下對溫度呈現惰性，同時具備其他許多複合材料無法比擬的光化學穩定性。聚醋薄膜具有低滲透率和相對較高的強度及硬度，可作為阻氣層的材料。除此之外，還可以選擇本領技術人員所知的其他適合的氣囊材料。中間膠粘層通過膠粘劑將防老化層和阻氣層粘結起來。
[0043]無人浮空器系統空中展開後的狀態如圖4所示，圖中示出的是充氣後的氣囊5和展開狀態下的杆體段2。杆體段2包括中空的圓柱體狀中心杆體14、杆體外板8 (圖中為打開狀態)、杆體外板連接機構9、凹槽形螺旋槳艙10、從螺旋槳艙10伸出的杆狀螺旋槳杆
11、工作狀態的雙葉螺旋槳12和內部設備13。在該狀態下，推進段3和彈頭部殼體4已經從無人浮空器系統中分離並脫落，此時杆體段2成為無人浮空器系統的主要部分，也稱為工作段。
[0044]杆體外板8與中心杆體14之間的連接是通過尾部(靠近推進段3)杆體外板8上的鎖鉤16與中心杆體上的鎖芯17鎖定的，鎖鉤16與鎖芯17組合起來構成外板連接機構9，其工作原理需結合圖3右側的局部放大圖和圖6右上角外板連接機構9的局部放大圖進行說明，其中圖6中的外板連接機構9屬於固定狀態，外板連接機構9中間的圓柱體是鎖芯17,固定在中心杆體14上，鎖芯17外側是鎖鉤16頭部被鎖芯17分開的兩個表面，此時兩個表面是朝上的。圖3右側的局部放大圖是鎖鉤16已經繞鎖芯17順時針轉過一定角度的狀態，是一個側視圖，此時鎖鉤16頭部被鎖芯17分開的兩個水平面是朝下的，當鎖鉤16繼續繞鎖芯17順時針轉動，到達一定程度，鎖鉤16與鎖芯17分開，杆體外板8與中心杆體14完成分離。由於杆體外板8有三個，所以外板連接機構9也有三個。在發射階段(即無人浮空器系統未展開時)，三片圓弧角度分別為120度的杆體外板8剛好覆蓋在中心杆體14上，為杆體段2保持良好的氣動外形，保護螺旋槳艙10內的雙葉螺旋槳12。每個杆體外板8長度為60-80釐米，優選70釐米；厚度為0.3-0.6釐米，優選0.5釐米。杆體外板8的材料選用耐高溫的一次性複合材料，例如碳纖維或環氧樹脂複合材料。
[0045]中心杆體14的長度與杆體外板8的長度一致。三個螺旋槳艙10沿圓周方向均勻布置，每個螺旋槳艙10呈截面為長方形的槽狀，從中心杆體14凹進，在每個螺旋槳艙10內配置一個與其形狀相適應的雙葉螺旋槳12，因此共有三個雙葉螺旋槳12，螺旋槳艙10長30-40釐米，優選34釐米；寬3-6釐米，優選4釐米；深2_8釐米，優選4釐米。螺旋槳杆11的一端與螺旋槳艙10連接，另一端與雙葉螺旋槳12固定連接，螺旋槳杆11在控制系統804的控制下可伸縮。杆體外板8未展開時，螺旋槳杆11可以全部縮回到螺旋槳艙10內，此時雙葉螺旋槳12不能超過螺旋槳艙10的深度。杆體外板8展開後，螺旋槳杆11伸出，長6-10釐米，優選8釐米，將雙葉螺旋槳12伸出螺旋槳艙10外，每個雙葉螺旋槳12直徑30-35釐米，優選32釐米，其形狀如本領域技術人員所知。在中心杆體14的中空內部安裝了內部設備13，內部設備13包括氣體抽放系統803、控制系統804、通信系統805、機載設備系統807、高能蓄電池和高度傳感器，如下圖7所述(圖7中未示出高能蓄電池和高度傳感器)，各系統協同工作來完成無人浮空器的相應任務。
[0046]彈頭部殼體4與中心杆體14之間的連接是通過彈頭部殼體4尾部(靠近中心杆體段)上的鎖鉤20與中心杆體14上的鎖芯21鎖定的，鎖鉤20與鎖芯21組合起來構成彈頭部殼體4與中心杆體14的連接機構，其工作原理需結合圖3右上角的局部放大圖進行說明，圖3中示出的是鎖鉤20已經繞鎖芯21順時針轉過一定角度的狀態，是一個側視圖。連接機構的原始狀態應該是圖中狀態的鎖鉤20逆時針旋轉到豎直位置的情況，此時彈頭部殼體4是處於拼接狀態的。當頭部殼體連接機構15的鎖鉤6與鎖芯7分開後，兩殼體4在氣動力和重力作用下隨即分開，此時鎖鉤20就開始繞鎖芯21順時針轉動，呈現出圖3右上角放大圖顯示的中間狀態，當鎖鉤20繼續順時針轉動到一定程度，鎖鉤20與鎖芯21完全分開，彈頭部殼體4與中心杆體14完成分離。由於彈頭部殼體有兩個，所以彈頭部殼體連接機構也有兩套。在發射階段(即無人浮空器系統未展開時)，兩片圓弧角度分別為180度的彈頭部殼體4剛好覆蓋在中心杆體14上端，為彈頭部I保持良好的氣動外形。
[0047]推進段3整體結構如圖5所示。推進段3是一個火箭助推器，用於提供起飛時的動力，內含硝酸酯增塑聚醚燃料，或本領域技術人員所知的其他適當的燃料，燃料的多少主要取決於發射到達的高度，在助推器尾部沿圓周方向均勻分布四個梯形安定面，改善發射過程橫航向的穩定性。推進段3的直徑與杆體段2相同，推進段3的長度為20-40cm，優選30cmo
[0048]如圖6所示，推進段3與杆體段2的連接是由中心杆體14上的舵機18和推進段3頂部(靠近杆體段2的部分)的雙圓環固定卡槽19共同實現的。雙圓環固定卡槽19的上部是一個從推進段外壁面向內伸出的較薄的圓環1901，下部是推進段內部的一個平面1902，平面1902下是推進段的內部，所以雙圓環固定卡槽19是一個由圓環1901和平面1902夾成的圓環形凹槽。在圓環1901上面的推進段側壁面圓弧1903剛好把杆體外板8包住，固定住了外板連接機構9，所以推進段3未分離前，杆體外板8 —定是固定在中心杆體14上的。中心杆體14上舵機18包括頭部1801和尾部1802，尾部1802與中心杆體14相連，頭部1801可以進行180°的旋轉，通過控制系統804對舵機18的控制使其頭部1801旋轉180°，將頭部1801旋入雙圓環固定卡槽19，使推進段3固定，推進段3與杆體段2處於連接狀態；解鎖時，控制系統804控制中心杆體14的舵機18反方向旋轉180°後，舵機18的頭部離開雙圓環固定卡槽19，推進段3在重力作用下自動脫落，實現推進段3與杆體段2的分離，此時圓環1901上面的側壁面圓弧1903對杆體外板8和外板連接機構9的包裹作用消失，鎖鉤16與鎖芯17被解鎖，在重力和氣動力作用下鎖鉤16沿著鎖芯順時針旋轉，到達一定角度後鎖鉤脫離鎖芯，杆體外板8自然脫落。
[0049]無人浮空器系統的功能實現主要由浮力系統801、動力系統802、氣體抽放系統803、控制系統804、通信系統805、能源系統806等協作完成，可選地，還可包括機載設備系統807。其中氣體抽放系統803、控制系統804、通信系統805和機載設備系統807包括在內部設備13中(位於杆體段2內部)。動力系統802包括推進段3和位於螺旋槳艙10內的三組雙葉螺旋槳12。能源系統806由位於氣囊5表面的太陽能電池薄膜(圖中未示出)及內部設備13中的高能蓄電器組成。根據各系統完成任務的職能不同，將6個分系統劃分為四個功能模塊，其中浮力系統801和動力系統802統稱為運動模塊，控制系統的垂直方向與水平方向的運動；氣體抽放系統803和能源系統806統稱為輔助系統；機載設備系統807和通信系統805統稱為任務系統，實現監視，通信等功能；控制系統804為控制模塊，控制各系統協同工作。這些系統協同工作完成任務的工作原理框圖如圖7示。
[0050]如圖2和圖5所示，浮力系統801由一個充氣時直徑3-5米，優選4米的彈性氣囊5組成，氣囊中可充入氦氣。在地面收起狀態時，囊內氣體抽空便於存放攜帶，使用時氣囊5瞬間充氣提供升力。氣囊5所提供的升力除克服無人浮空器系統本身重力外，其他全部用於支持無人浮空器系統有效載荷，即機載設備系統807。
[0051]如圖4-6所示，動力系統802負責為無人浮空器系統的發射和空中巡航飛行提供動力。主要由發射用火箭助推器3和三個雙葉螺旋槳12組成。地面發射時，將火箭助推器3安裝在浮空器杆體段2下方，置於地面發射器(圖中未示出)上進行發射，將無人浮空器系統推升到至少5000米時脫離。三個螺旋槳12在控制系統804控制下為無人浮空器系統提供水平推力。
[0052]氣體抽放系統803負責無人浮空器系統氦氣資源的儲存與抽放，其工作原理框圖如圖8所示。氣體抽放系統803主要由流量計22、高壓儲氣瓶23、充氣閥門24、抽氣閥門25，抽氣機匣26和增壓器27組成。高壓儲氣瓶23內存儲高壓氦氣，在無人浮空器系統發射至指定高度時，控制系統804控制充氣閥門24打開，高壓氦氣從高壓儲氣瓶23充入氣囊5，當氣囊5內氣體體積達到控制系統804指定體積時(通過流量計22測量)，控制系統804控制充氣閥門24關閉。當無人浮空器系統需要降低高度時，抽氣閥門25打開，抽氣機匣26進行抽氣，氣囊內的氣體被抽進增壓器27，在增壓器27內增壓後充進高壓儲氣瓶23，實現氣體循環使用。無人浮空器系統需要增加高度時，使用高壓儲氣瓶23對氣囊5再進行充氣。
[0053]控制系統804主要負責向其他系統發出控制命令，接受並處理其他系統反饋回來的信號。控制系統804主要由微型機載計算機組成。控制系統804根據地面控制命令及任務分配，合理計算規劃飛行路線，減少能源消耗，準確控制三個螺旋槳12的協同工作，以達到控制水平飛行方向的目的；通過高度傳感器(如上文所述，高度傳感器位於中心杆體14的中空內部，圖中未示出)的反饋信號，確定無人浮空器系統所在高度，當達到預定高度時，控制系統804控制舵機運動，實現推進段3與杆體段2的分離；控制系統804控制充氣閥門24和抽氣閥門25打開，利用抽氣機匣26及增壓器27的工作來調節氣囊5內氣體體積，進而控制無人浮空器系統的高度；控制系統804根據流量計22的反饋，控制充氣閥門24的關閉，保證氣囊產生適當的浮力；控制系統804接收能源系統806傳來的信號，根據剩餘的能源量及所分配的任務合理分配能源使用，並根據任務分配，準確控制各機載設備執行任務操作。
[0054]如圖9所示意，通信系統805主要由接收天線與通信雷達組成(圖中未示出)。通信系統805主要負責與中繼衛星進行實時數據交流，也可與自身所控制空域下的其他終端設備進行數據交流。一方面，通信系統805通過與中繼衛星進行交流可獲得自身所在地理坐標、高度、周邊環境、未來天氣預報等各種有用信息，也可以實時收到來自地面的控制命令。另一方面，無人浮空器系統可以通過通信系統805、經由中繼衛星將所收集到的各種情報及時的發回地面控制中心，保證了控制中心可以在第一時間得到前方的情報資料，確保了情報的時效性。此外，與自身空域下的其他終端設備的數據交流拓展了無人浮空器系統的應用，為單位或私人使用無人浮空器系統提供了可靠途徑。可使用本領域技術人員所知的由接收天線與通信雷達組成的通信系統，擔負此項功能，不再累述。
[0055]能源系統806主要由太陽能電池薄膜及高能蓄電器組成，負責電能的獲取與存儲，並保障其他用電設備的正常工作。太陽能電池薄膜鋪設在氣囊5上表面，負責在日間吸收太陽能將其轉化成電能並存儲進高能蓄電器內，同時遮擋紫外線，以減少設備的老化。夜間，高能蓄電器向其他用電設備提供電能，保證其他用電設備的正常工作。實時向控制系統804反饋所餘能源量，供控制系統804合理分配。
[0056]可選地，無人浮空器系統可包括機載設備系統807。機載設備系統807可包括多種機載設備(圖中未示出)，這些機載設備主要負責執行保障分配任務。無人浮空器系統可根據所執行的任務，選擇性地搭載不同的機載設備，如高清攝像頭、熱成像儀、基於圖像分析的全向紅外告警器等設備。因為無人浮空器系統載重有限，所以一臺無人浮空器系統可以選擇性的搭載一臺或兩臺設備，任務需要多種設備協同工作的，可以組合多臺無人浮空器系統協同工作。
[0057]無人浮空器系統的工作階段主要分為:升空、空中展開、空中飛行升降、任務執行以及降落回收。
[0058]升空，可採取兩種不同的升空模式。一種是不安裝彈頭部I的兩片殼體4和推進段3 (此時的無人浮空器可稱為「簡易浮空器」)，在地面通過控制系統804控制氣囊5充氣，利用氣囊5的浮力使簡易浮空器升空。這種方法簡單方便，不需要火箭助推器，減少了發射成本，缺點是升空速度較慢，但較適合非緊急時刻的使用。另一種是採用完整的無人浮空器系統(即前面提到的系統)，在地面鋪設簡易的飛彈發射架(圖中未示出)來引導發射，發射至預設高度時，無人浮空器系統在控制系統804的控制下空中展開。這種方法的優點是升空速度快，可從較遠距離處直接發射至目標空域，缺點是需攜帶和組裝彈頭部I的兩片殼體4、杆體外板8及火箭助推器3，它們都是一次性消耗品，增加了發射成本，適合緊急時刻或應對突發情況時使用。
[0059]空中展開。在無人浮空器系統發射升空後，控制系統804通過高度傳感器確定自身所在高度，當無人浮空器系統達到指定高度時，控制系統804向推進段3發出信號，控制其熄火併通過舵機18的旋轉斷開與杆體段2的連接，推進段3分離。推進段3的分離消除了推進段3雙圓環固定卡槽19上面的圓弧對杆體段2外板連接機構9的束縛，使得杆體外板8上的鎖鉤16圍繞中心杆體14上的鎖芯17進行旋轉，此時杆體外板8的展開增加了無人浮空器系統所受阻力，系統的速度降低，減少了無人浮空器系統所受的氣體衝擊力。旋轉90度後，杆體外板8與中心杆體14分離。同時控制系統804控制高壓儲氣瓶23的充氣閥門24打開，向氣囊5內充進氦氣，氣囊5迅速撐開，在衝力的作用下彈頭部殼體4被解鎖打開，在重力和氣動力作用下殼體4自然脫落，當氣囊5完全展開時，杆體外板8完全脫落，氣囊5懸掛在中心杆體14上，處於懸浮狀態，雙葉螺旋槳12缺少了杆體外板8的約束，在控制系統804控制下伸出螺旋槳艙10，此時無人浮空器系統在空中完全展開，如圖10所示。
[0060]空中飛行升降，空中的運動可分為水平運動及垂直升降。水平運動時，因為採用三個雙葉螺旋槳12，當單個螺旋槳12工作時，無人浮空器系統可以沿水平面內的三個相間120度的螺旋槳軸向方向進行水平運動。當需沿其它方向水平運動時，可將該運動方向所對應的兩個螺旋槳12對該運動進行速度分解，再由控制系統804分別對兩個螺旋槳12進行精確控制，使無人浮空器系統沿目標方向進行運動。垂直升降時，氣囊5通過本身所排開空氣品質與本身質量之差來產生浮升力，通過改變氣囊5的體積可以改變無人浮空器系統的淨浮力，最終使無人浮空器系統上升或下降。控制浮空器空中運動方向的技術是本領域技術人員所知的，在此不再累述。
[0061]任務執行，無人浮空器系統在接收到任務信號時，控制系統804經過計算，確定出最佳航行路線，並控制無人浮空器系統航行至目標空域。控制系統804根據任務要求控制相關機載設備進行任務操作，在得到情報數據後及時通過通信系統805發回控制中心，確保情報數據的時效性。
[0062]降落回收，根據使用者需求，可以發射即不管(不回收)，像衛星一樣，一直使浮空器運行直到其報廢為止；也可以對浮空器循環回收使用。無人浮空器系統完成分配任務後，地面終端控制其飛至指定空域，通過控制系統804控制抽氣機匣26抽氣，其過程與控制無人浮空器系統垂直降落相同，控制其緩慢降落至地面進行回收。
[0063]無人浮空器系統將浮空器原理與無人機技術相結合，氣囊在不需要發動機動力的情況下為系統提供升力，可保證浮空器在一定高度對局部區域進行長時間的監視和情報收集，有效解決了現有無人機續航能力較差的弱點，保證了較長的巡航時間。如果利用多臺無人浮空器系統協同工作，分配到達不同空域分別執行任務，擴大了監視區域，增加了信息收集量，可大大提高工作效率，合理分配實現多任務工作。此外，由於無人浮空器系統整體結構簡單，在未安裝前可分為三段，單兵即可攜帶。氣囊5的材料加工工藝及結構材料要求不高，整體設計均在現有科技水平下進行。另外，雖然彈頭部殼體、杆體外板和火箭助推器都屬於一次性消耗品，增加了初始成本，但是由於浮空器在空中長時間的工作不需要發動機，減小了運行成本，並且續航能力和信息收集能力增強，使得無人浮空器系統的效費比較高，所以無人浮空器系統應該具有廣闊的應用前景。
【權利要求】
1.一種無人浮空器系統，包括彈頭部(1)，杆體段(2)和推進段(3)，其中: (1)彈頭部(I)包括形狀相同的兩片中空的殼體(4)和氣囊(5)，其中: 殼體(4)橫截面為半圓型，當殼體(4)處於拼接狀態時，通過頭部殼體連接機構(15)將兩片殼體(4)固定拼接在一起，殼體(4)內部的中空腔用於存放充氣前的氣囊(5)，當氣囊(5)充氣並迅速膨脹時，兩殼體(4)分開；兩片殼體(4)拼接後直徑12-16釐米，長38-42釐米，厚度0.3-0.6釐米，殼體(4)的材料選用耐高溫的一次性複合材料；氣囊(5)採用層壓材料，由靠近外部大氣的防老化層、中間膠粘層和靠近氣囊內部氦氣的阻氣層組成； (2)杆體段(2)包括中空的圓柱體狀中心杆體(14)、三個杆體外板(8)、三個杆體外板連接機構(9)、凹槽形螺旋槳艙(10)、從螺旋槳艙(10)伸出的杆狀螺旋槳杆(11)、雙葉螺旋槳(12)和內部設備(13)，其中 杆體外板(8)與中心杆體(14)之間的連接是通過杆體外板(8)上的鎖鉤(16)與中心杆體(14)上的鎖芯(17)鎖定的，鎖鉤(16)與鎖芯(17)組合起來構成外板連接機構(9)；在無人浮空器系統未展開時，三片圓弧角度分別為120度的杆體外板(8)剛好覆蓋在中心杆體(14)上，保護螺旋槳艙(10)內的雙葉螺旋槳(12)，每個杆體外板(8)長度為60-80釐米，厚度為0.3-0.6釐米，杆體外板(8)的材料選用耐高溫的一次性複合材料； 中心杆體(14)的長度與杆體外板(8)的長度一致，三個螺旋槳艙(10)沿圓周方向均勻布置，每個螺旋槳艙(10)呈截面為長方形的槽狀，從中心杆體(14)凹進，在每個螺旋槳艙(10)內配置一個與其形狀相適應的雙葉螺旋槳(12)，螺旋槳艙(10)長30-40釐米，寬3-6釐米，深2-8釐米，螺旋槳杆(11)的一端與螺旋槳艙(10)連接，另一端與雙葉螺旋槳(12)固定連接，螺旋槳杆(11)可伸縮，每個螺旋槳杆(11)長6-10釐米，每個雙葉螺旋槳(12)直徑30-35釐米，在中心杆體(14)的中空內部安裝內部設備(13)，內部設備(13)包括氣體抽放系統(803)、控制系統(804)、通信系統(805)、機載設備系統(807)、高能蓄電池和高度傳感器； 其中通過緊固裝置將氣囊(5)的氣囊接口固連至杆體段(2)的上端面內側； (3)推進段(3)是一個內含燃料的火箭助推器，在助推器尾部沿圓周方向均勻分布四個與無人浮空器系統軸線平行的梯形安定面，推進段(3)的直徑與杆體段(2)相同，推進段(3)的長度為20-40cm，其中 通過中心杆體(14)上的舵機(18)和推進段(3)頂部的卡槽(19)實現推進段(3)與杆體段(2)的卡槽連接。
2.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中頭部殼體連接機構(15)由鎖鉤(6)和鎖芯(7)組成，鎖鉤(6)和鎖芯(7)相向的一端可扣在一起形成扣緊的拼接配合，相反的一端分別固定連接到兩片殼體(4)的大約中段內壁上。
3.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中彈頭部⑴的兩片殼體⑷拼接後直徑為14釐米，長度為40釐米，厚度為0.5釐米，殼體(4)選用碳纖維複合材料；氣囊(5)的防老化層選用聚氟乙烯，阻氣層選用聚醋薄膜。
4.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中彈頭部⑴的兩片殼體⑷拼接後直徑為14釐米，長度為40釐米，厚度為0.5釐米，殼體(4)選用環氧樹脂複合材料；氣囊(5)的防老化層選用聚氟乙烯，阻氣層選用聚醋薄膜。
5.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中杆體段(2)的每個杆體外板(8)長度為70釐米，厚度為0.5釐米，杆體外板(8)選用碳纖維複合材料；螺旋槳艙(10)長34釐米，寬4釐米，深4釐米；雙葉螺旋槳(12)直徑32釐米。
6.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中杆體段(2)的每個杆體外板(8)長度為70釐米，厚度為0.5釐米，杆體外板(8)選用環氧樹脂複合材料；螺旋槳艙(10)長34釐米，寬4釐米，深4釐米；雙葉螺旋槳(12)直徑32釐米。
7.如權利要求1所述的無人浮空器系統，其中推進段(3)的長度為30cm。
8.如權利要求1至7的任何一項權利要求所述的無人浮空器系統，由浮力系統(801)、動力系統(802)、氣體抽放系統(803)、控制系統(804)、通信系統(805)、能源系統(806)等組成，其中 浮力系統(801)，其由一個充氣時直徑3-5米的彈性氣囊(5)組成，氣囊中可充入氦氣; 動力系統(802)，其包括推進段(3)和位於螺旋槳艙(10)內的三組雙葉螺旋槳(12)；動力系統(802)和浮力系統(801) —起用於控制系統的垂直方向與水平方向的運動； 氣體抽放系統(803)位於杆體段(2)內部的內部設備(13)中，主要由流量計(22)、高壓儲氣瓶(23)、充氣閥門(24)、抽氣閥門(25)，抽氣機匣(26)和增壓器(27)組成；充氣時，高壓儲氣瓶(23)內存儲高壓氦氣，控制系統(804)控制充氣閥門(24)打開，高壓氦氣從高壓儲氣瓶(23)充入氣囊(5)，充氣後，控制系統(804)控制充氣閥門(24)關閉；放氣時，抽氣閥門(25)打開，抽氣機匣(26)進行抽氣，氣囊(5)內的氣體被抽進增壓器(27)，在增壓器(27)內增壓後充進高壓儲氣瓶(23)； 控制系統(804)，其主要由微型機載計算機組成，位於杆體段(2)內部的內部設備(13)中，用於控制各系統協同工作； 通信系統(805)，其由接收天線與通信雷達組成，位於杆體段(2)內部的內部設備(13)中，用於與中繼衛星進行實時數據交流，也可與其他終端設備進行數據交流； 能源系統(806)，其由位於氣囊(5)表面的太陽能電池薄膜及內部設備(13)中的高能蓄電器組成，負責電能的獲取與存儲。
9.如權利要求8所述的無人浮空器系統，還可包括機載設備系統(807)，其位於杆體段(2)內部的內部設備(13)中，用於執行任務。
10.如權利要求1至9的任何一項權利要求所述的無人浮空器系統，還可以不安裝彈頭部⑴的兩片殼體⑷和推進段(3)，在地面通過控制系統(804)控制氣囊(5)充氣，利用氣囊(5)的浮力使簡易浮空器升空。
【文檔編號】B64B1/30GK104139845SQ201410381454
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】張登成, 張豔華, 鄭無計, 張久星, 屈亮, 朱和銓, 李靖濤, 姚東野 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學