一种平流层飞艇压力调控方法及其调控系统与流程

本发明主要涉及到飞行器技术领域，特指一种平流层飞艇长时间工作的压力调控方法及其调控系统。

背景技术：

平流层飞艇是一种轻于空气的可控飞行器，主要依靠囊体结构内轻于空气的浮升气体产生浮力实现升重平衡，主要依靠太阳电池与储能电池构成闭环能源系统实现长时稳定飞行，该类飞行器工作在距地面20千米附近的平流层高度区域，利用这个区域稳定的大气环境，利用这个区域存在较低速度风场的特征，通过较少推进能源抗风，结合闭环能源系统，可实现年量级的一个地区上空的驻空飞行能力。

平流层飞艇具有驻空时间长、可在一定范围机动、不受复杂气象环境影响、效费比高等优势，可能携带多种不同任务载荷，完成对大范围、长时间对地观测、通信、导航等应用任务。与传统飞机和卫星相比，平流层飞艇在“空域”和“时域”上具有无可替代的优势，在军民领域有广泛的应用前景。

一般平流层飞艇由于体积巨大，从结构重量和安全性等方面综合考虑常采用软式充气结构，通过主囊体充填一定浮升气体，在获得足够浮力的同时，靠内外压差来保持低阻的气动和可操纵的设计外形。由于平流层飞艇的长期驻空能力是其区别与其他飞行器的核心特征，也被称为平流层卫星。

但在平流层飞艇长期驻空期间，白天太阳辐照导致囊体和内部浮升气体温度不断上升，会致使平流层飞艇囊体内气压较大幅度增加，由于飞艇充气结构尺寸巨大，蒙皮材料抗压能力一定条件下，超大尺寸会带来主囊体抗压能力降低，这给蒙皮材料提出了非常苛刻的要求；夜晚囊体表面温度降低，会导致平流层飞艇囊体内压力较大幅度降低，不但飞艇外形难以保证，而且会造成浮力损失，引起飞艇下降；若按照夜晚设置超压保形状态，白天温度高时压力会有大幅增加，高承压状态下充气结构安全性问题突出；另外一方面在大压差条件下，浮升气体渗漏损失较大，浮力经过昼夜循环损失大，无法长期运行。

现在昼夜温度差异造成的主囊体压力波动，仍是平流层飞艇实用化的绊脚石，目前压力调控方法多采用在压力高时释放浮升气体，夜晚抛沙减小系统重量的方法条件，这会造成系统运行状态的不可逆，平流层飞艇无法实现其长期运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可长期重复使用、功耗较小、环境适应性好的平流层飞艇压力调控方法及其调控系统。其可以解决当前平流层飞艇长期运行过程中昼夜状态变化导致的不可逆的压力调控方式，促进平流层飞艇尽快进入实用化。

本发明采用的技术方案是：

一种平流层飞艇压力调控方法，在平流层飞艇的主囊体内部设置有压力调控囊体，主囊体内因昼夜运行过程中温度变化而导致主囊体内浮升气体压力升高或降低，通过将主囊体内的部分浮升气体压入或放出压力调控囊体实现压力调节，使主囊体压力保持稳定。

进一步地，通过在主囊体上设置压力传感器实时检测主囊体内部或其内外压力变化。

进一步地，当主囊体压力升高时，将主囊体中部分浮升气体压入压力调控囊体；当主囊体压力降低时，将压力调控囊体中的部分高压浮升气体放出到主气囊，提升主气囊压力，使主囊体压力保持稳定，从而实现平流层飞艇长时间工作过程中主囊体压力波动小。由于主囊体内/外压较小且稳定，柔性蒙皮构成的主囊体结构可以优化设计，且对制作主囊体的蒙皮材料的强度要求降低，这样不但可使平流层飞艇性能大幅提升，同时可以解决常规飞艇方案昼夜压差波动导致的结构安全难题。另外，由于主囊体内外压差较小，浮升气体在较小压差下通过蒙皮渗漏损失较小，降低了长时间持久运行补充的难度，可解决平流层飞艇长期运行中浮力损失导致的高度保持难题。

一种平流层飞艇压力调控系统，包括平流层飞艇的主囊体，其特征在于，在主囊体内部腔体内设置有压力调控囊体、与压力调节囊体连接的一个以上的阀门以及与压力调节囊体连接的一个以上的风机，所述阀门的一端均通过管路与压力调节囊体的内部空腔联通，阀门的出口联通主囊体内部腔体，阀门实现将压力调控囊体内的气体放出到主囊体内；所述风机的出风口均通过管路与压力调节囊体的内部空腔联通，风机实现将主囊体内的气体吸入压力调节囊体内。当主囊体压力高时，通过位于主气囊内但连接在压力调控囊体上的风机，将主气囊中的部分浮升气体压入压力调控囊体内，降低主气囊压力。当主囊体压力低时，通过位于主气囊内但连接在压力调控囊体上的阀门，将压力调控囊体中的部分高压浮升气体放出到主气囊，提升主气囊压力，从而克服平流层飞艇昼夜工作温度变化引起主囊体压力波动，实现平流层飞艇长时间工作过程中主囊体压差小，工作稳定，且浮升气体质量在较小压差下损失微弱，可解决平流层飞艇经历多次昼夜长期运行过程中，压力波动导致的结构安全和浮升气体损失导致的高度保持难题。

进一步地，在主囊体上设置有一个以上的用于测量主囊体内外压力变化的压力传感器。

进一步地，还包括压力调节控制器，所述压力传感器、阀门以及风机均与压力调节控制器连接。压力传感器实时检测主囊体内外压力变化信号，并将该信号发送给压力调节控制器，压力调节控制器根据压力传感器测量到的数据对阀门或风机进行控制；

当主囊体压力高时，开启风机，将主气囊中的部分浮升气体压入压力调控囊体，降低主气囊压力；当主囊体压力低时，开启阀门，将压力调控囊体中的部分浮升气体放出到主气囊，提升主气囊压力。

进一步地，可以在主囊体内部腔体内设置多个压力调控囊体。每个压力调控囊体上均连接有一个以上的阀门以及一个以上的风机。同样的所述阀门的一端均通过管路与对应的压力调节囊体的内部空腔联通，阀门的出口联通主囊体内部腔体，阀门实现将压力调控囊体内的气体放出到主囊体内；所述风机的出风口均通过管路与对应的压力调节囊体的内部空腔联通，风机实现将主囊体内的气体吸入压力调节囊体内。压力调节控制器实现对各个压力调控囊体上的阀门以及风机的控制。

进一步地，所述主囊体一般采用气动外形和容积率耦合优化的旋成体外形，采用轻质蒙皮材料构造，通过充填浮升气体实现浮力与重量平衡，通过较小压差实现柔性充气式的低阻气动外形。由于存在由压力调控囊体、阀门、风机、压力传感器以及压力调节控制器等构成的压力调控装置，主囊体结构的内外压差可以优化设计，压差较小，且稳定，浮升气体渗漏少(氦气、氢气)。本发明的主囊体对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，采用低面密度度材料的结构质量大大降低，系统综合性能提升，且结构安全性大大增强。

进一步地，所述压力调控囊体一般设计为具有较优承压性能的球形或柱形。压力调节囊体采用高强囊体材料制成，其通过悬线或其他柔性结构连接主囊体使其定位在主囊体内部。压力调控囊体加工制造工艺简单，主要用于调节主囊体的压力变化；由于位于主囊体内，所以不用考虑气动外形和与外部复杂结构等因素，设计外形和材料利用可优化，还可分散主囊体上集中力，提供飞艇整体结构刚度和可靠性，但不用对浮升气体渗漏指标提过高要求，浮升气体渗漏后直接进入主气囊，不会造成浮力损失。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种平流层飞艇压力调控系统，该系统创新地在主囊体中设置压力调控囊体，用于将主囊体内因温度变化而升高或降低的压力，通过将部分浮升气体压入或放出压力调控囊体来进行调节。并通过设置压力传感器感知主囊体内部或内外压力变化，通过压力调节控制器操纵风机和阀门实现稳定压力调控，当主囊体压力升高时，通过风机将主囊体中的部分浮升气体压入调控囊体；当主囊体压力降低时，通过阀门将压力高的部分浮升气体放出到主气囊，从而实现平流层飞艇长时间工作主囊体压力波动小。

由于主囊体内/外压较小且稳定，柔性蒙皮构成的主囊体结构可以优化，对蒙皮材料的强度要求降低，不但可使平流层飞艇性能大幅提升，同时可以解决常规飞艇方案昼夜压差波动导致的结构安全难题；另外，由于主囊体内外压差较小，浮升气体在较小压差下通过蒙皮渗漏损失微弱，降低了长时间持久运行补充的难度，可解决平流层飞艇长期运行中浮力损失导致的高度保持难题。

主囊体可采用轻质蒙皮材料构造，通过充填浮升气体实现浮力与重量平衡，通过较小压差实现柔性充气式的低阻气动外形。由于存在由压力调控囊体、阀门、风机、压力传感器以及压力调节控制器等构成的压力调控装置，主囊体结构的内外压差可以优化设计，压差较小，且稳定，浮升气体渗漏少(氦气、氢气)，对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，结构质量大大降低，系统综合性能提升，且结构安全性大大增强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种平流层飞艇压力调控方法，在平流层飞艇的主囊体1的内部腔体内设置有压力调控囊体2，主囊体内因昼夜运行过程中温度变化而导致主囊体内浮升气体压力升高或降低，通过在主囊体1上设置压力传感器5实时检测主囊体1内部或其内外压力变化，主囊体1内升高或降低的压力通过将主囊体1内的部分浮升气体压入或放出压力调控囊体2实现压力调节，使主囊体压力保持稳定。

当主囊体压力升高时，将主囊体中部分浮升气体压入压力调控囊体；当主囊体压力降低时，将压力调控囊体中的部分高压浮升气体放出到主气囊，提升主气囊压力，使主囊体压力保持稳定，从而实现平流层飞艇长时间工作过程中主囊体压力波动小。

如图1所示，本发明一种平流层飞艇压力调控系统，包括平流层飞艇的主囊体1和压力调节控制器6。在主囊体1上设置有一个以上的用于测量主囊体内外压力变化的压力传感器5。在主囊体1内部腔体内设置有压力调控囊体2、与压力调节囊体2连接的一个以上的阀门3以及与压力调节囊体2连接的一个以上的风机4，所述阀门3的一端均通过管路与压力调节囊体2的内部空腔联通，阀门3的出口联通主囊体1内部腔体，阀门3实现将压力调控囊体2内的气体放出到主囊体1内；所述风机4的出风口均通过管路与压力调节囊体2的内部空腔联通，风机4实现将主囊体1内的气体吸入压力调节囊体2内。所述压力传感器5、阀门3以及风机4均与压力调节控制器6连接。压力传感器5实时检测主囊体1内外压力变化信号，并将该信号发送给压力调节控制器6，压力调节控制器6根据压力传感器测量到的数据对阀门或风机进行控制：当主囊体压力高时，开启风机，将主气囊中的部分浮升气体压入压力调控囊体，降低主气囊压力；当主囊体压力低时，开启阀门，将压力调控囊体中的部分浮升气体放出到主气囊，提升主气囊压力，从而实现平流层飞艇长时间工作主囊体压力压力调控。

进一步地，本发明可以在主囊体1内部腔体内设置多个压力调控囊体2。每个压力调控囊体2上均连接有一个以上的阀门3以及一个以上的风机4。同样的所述阀门3的一端均通过管路与各自对应的压力调节囊体2的内部空腔联通，阀门3的出口联通主囊体1内部腔体，阀门实现将压力调控囊体内的气体放出到主囊体内。所述风机4的出风口均通过管路与各自对应的压力调节囊体2的内部空腔联通，风机实现将主囊体内的气体吸入压力调节囊体内。压力调节控制器实现对各个压力调控囊体上的阀门以及风机的控制。

所述主囊体1一般采用气动外形和容积率耦合优化的旋成体外形，采用轻质蒙皮材料构造，通过充填浮升气体实现浮力与重量平衡，通过较小压差实现柔性充气式的低阻气动外形。由于存在由压力调控囊体、阀门、风机、压力传感器以及压力调节控制器等构成的压力调控装置，主囊体结构的内外压差可以优化设计，压差较小，且稳定，浮升气体渗漏少(氦气、氢气)。本发明的主囊体对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，采用低面密度度材料的结构质量大大降低，系统综合性能提升，且结构安全性大大增强。

所述压力调控囊体2一般设计为具有较优承压性能的球形或柱形。压力调节囊体采用高强囊体材料制成，其通过悬线7或其他柔性结构连接主囊体使其定位在主囊体内部。压力调控囊体加工制造工艺简单，主要用于调节主囊体的压力变化；由于位于主囊体内，所以不用考虑气动外形和与外部复杂结构等因素，设计外形和材料利用可优化，还可分散主囊体上集中力，提供飞艇整体结构刚度和可靠性，但不用对浮升气体渗漏指标提过高要求，浮升气体渗漏后直接进入主气囊，不会造成浮力损失。

通常压力调控囊体2的体积大小由昼夜压力波动范围确定，受蒙皮材料本身辐照和飞艇工作特性影响，如昼夜温差达50k左右的平流层飞艇，压力调控囊体2的体积约为飞艇总体积的1/4以上。考虑到现有蒙皮材料性能和不同形状材料力学性能利用率等特点，较大尺寸的气囊可以采用多个优化子气囊的组合。由于压力调控囊体位于主囊体内，所以不用考虑气动外形和与外界吊舱等承力结构连接，设计外形和蒙皮材料利用可优化，如柱状气囊材料考虑经向和纬向差异设计。压力调控囊体2的蒙皮材料选择重点是高比强度，用于承受大的压强，由于在主气囊内，调节气囊不用过高要求浮升气体渗漏指标、抗外界环境指标，蒙皮材料设计因素较为单一，指标比现有综合指标要求可大幅提升，浮升气体渗漏后直接进入主气囊，不会造成浮力损失。

如图1所示的风机4，可以采用多个风机组合工作模式，以增加系统性能和可靠性；风机采用电驱动模式，风机安装在压力调节囊体上，进风口与主囊体内部腔体相连，出风口与压力调控囊体联通。风机由压力调节控制器控制，风机通过压力调节控制器进行开关控制和压力调节控制，用于将主囊体内的部分浮升气体提升压力后，压力提升能力要求较高，一般应可以达到5KPa以上，输送主气囊中部分浮升气体进入压力调控囊体，调节因浮升气体温度升高导致的主囊体压力升高。

如图1所示的阀门3，可以采用多个阀门组合工作模式，以增加系统性能和可靠性；阀门采用电磁控制，安装在压力调控囊体上，并与主囊体相连。阀门由压力调节控制器控制，用于将压力调控囊体中高于主囊体的部分浮升气体放出，输送进入主囊体，补充因为浮升气体温度降低导致的主囊体压力降低，阀门应满足在内外5KPa以上环境下的可靠工作。

如图1所示的压力传感器5，其包含一组内部和外部压力传感器，安装在主囊体上1，且与压力调节控制器6连接上。压力传感器用于感受主囊体内压力绝对值，或主囊体与外界环境的压力差，并将多组测量信息发送给压力调节控制器，考虑到外界环境压力特征，压力传感器应在4.5KPa—6KPa范围内工作，且精度至少高于5Pa。

如图1所示的压力调节控制器，其依据压力传感器测量数据，当主囊体压力高时，通过风机将浮升气体压入压力调控囊体，减小和稳定主气囊压力值，且该类情况主要出现在能源较为充足的白天，风机工作有可靠能源保障，压入过程较为可靠；当主囊体压力低时，通过阀门将压力调控囊体中压力较高的浮升气体放出到主气囊，保障主囊体不会因为温度较低导致压力降低，该类情况主要出现在夜晚，放气过程由浮升气体的压力势能保障，不需要加入过多能量，排气过程较为可靠。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。