一种超小型系留气球系统的制作方法

本实用新型涉及系留气球领域，尤其涉及一种小型系留气球系统。

背景技术：

利用空中平台携带载荷进行观测、通讯、航拍等任务长期以来得到了广泛的应用，空中平台提供了一个地面平台不具备的观察视角和覆盖能力，而且具有更好的生存能力和通讯能力。其可搭载的平台包括系留气球、无人机、飞艇等，不同平台各有利弊，分别应用于相适合的场合。无人机续航时间短、载荷小、安全性差，适用于短时航拍；飞艇机动性好、飞行稳定，可用于短时的航拍、观测等；系留气球虽然固定于一定区域内不能随意移动，但可长时间系留于空中，适合于长时持续的空中观测、通讯中继等。

系留气球有比较长的历史，发展至今已经形成了比较成熟的设计。系留气球分大中型和小型系统，分别适用于不同场合，大中型系统载荷大、升空高度高，但系统复杂、占地大、所需操作人员多；小型甚至超小型系留气球系统虽然载荷小但所需操作人员少，操作简单。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。

通常球体包括流线型球体气囊加尾翼，以及其上的拉袢、索具、充气阀门、排气阀门等装置，较大的系留气球还具有独立控制的副气囊。现有系留气球球型一般为流线型，专门针对系留工况，因此具有较大的圆头和逐渐收细的尾部，不同于飞艇的前后都较细的细长流线型。球体气囊和尾翼的材料一般是一致的，对于中大型系留气球，球体材料一般为高强度的纤维复合材料，小型系留气球有的也使用高分子类薄膜材料以降低重量。

系缆包括缆绳、连接装置等，缆绳可以是高强度拉绳，也可以是加入供电或信号的复合缆绳，连接装置可以是普通滑环或光电复合滑环。

锚泊装置的主要组成部分是系缆绞盘及收放系统，用于使系留气球球体升空和回收。另外还包括球体锚泊固定装置、供配电装置、控制装置等。中大型系留气球的锚泊装置一般具有一个可立起和放倒的锚泊塔，用于在锚泊时约束球体头锥。锚泊塔和整套锚泊系统可以沿底座自由回转，从而在锚泊时使球体随风向调整至球体正对来风方向，此时球体受到的风阻最小，系统受力情况最好，可以防止球体锚泊时被风损坏。锚泊装置根据系统的规模和使用场合不同，还可以大致分为移动式和固定式两类。移动式锚泊装置一般是安装于机动车辆或托挂车上面，可以收叠和展开，收叠状态下可以随车辆移动，需要锚泊或系留时则展开使用；固定式锚泊装置一般只包括绞盘和收放系统以及球体锚泊固定系统等主要装置，安放于一个地点后一般不能随意移动。

目前现有的系留气球虽然技术比较成熟，但随着时代的发展，人们对系留气球的要求也在变化。比如有的场合普通车辆无法到达，只能单人进入，这就要求空中观测和通讯系统做到超小型而且灵活机动。传统的系留气球一般球体尺寸都比较大，目前可带载工作的系留气球最小尺寸一般也在10米以上，而且需要中型卡车级别的地面锚泊设施，系留气球收放等操作的人员也至少需要4～6人以上，大型气球甚至需要数十人操作，升空和回收耗时也比较长，因此传统的系留气球适合开阔区域长期空中监控，而不适合特殊地形或城市。民用上，大型活动的增多、突发事件的增加都需要及时应对，对短时空中监控平台的需求增加，即要求系留气球占地小，并能快速展开、快速升空、快速回收。

要满足上述应用需求，首先要将系留气球的系统规模、操作难度、人员需求降到最低，而且要求轻便机动，而对载荷的精度、探测质量的要求并不是第一位的。因此可以在保留最基本载荷功能的基础上将整个系统精简并小型化，保留最基本的系统组成和功能。

本实用新型在本着系统最简的原则下，将系留气球系统精简至最小化，设计了一种小型、快捷、安全、易用的系留气球，可快速展开快速回收，适合单人或双人操作和携带，既适用于车辆无法到达的地区，也适用于大型活动、突发事件的短时、快速空中监控和管理指挥等。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型提出一种系留气球，用于解决现有系留气球占地空间大、升空和收回耗时长、操作难、耗费人力物力大的问题。用于解除常规系留气球无法小型化、迅捷化、城市化应用的局限。

(二)技术方案

基于以上问题，本实用新型提出一种系留气球，包括球体系统和绞盘系统，其中：

球体系统包括球体，其为扁圆形回转球体；

绞盘系统包括动力系统，其用于提供绞盘系统的动力以使绞盘系统能够收放所述球体系统。

上述扁圆形回转球体的高宽比为0.5-0.9，且扁圆形回转球体的分膜数不小于12。

上述球体系统还包括稳定风帆，稳定风帆位于上述扁圆形回转球体的后下方，用于使系留气球在风中稳定平衡。

上述动力系统为手动收放摇把或收放电机。

上述绞盘系统还包括绞盘和固定装置。

其中绞盘系统的固定装置可为地锚，用于将绞盘固定于地面；绞盘系统的固定装置还可以为挂钩，用于连接绞盘和载荷。

上述系留气球还包括载荷系统，载荷系统包括载荷、载荷平台及连接固定装置。

上述系留气球还包括地面控制与接收系统，所述地面控制与接收系统包括接收天线、数据显示设备、操控设备。

上述系留气球还包括充气系统，所述充气系统包括氦气瓶、充气管和球体保护套。

上述球体保护套外形为整块布料，内衬光滑，材质为轻质高强度纤维复合布。

上述氦气瓶可放倒放置，其上自带防滚转结构，并具有与绞盘连接的结构。

上述系留气球还包括收纳背负系统，所述收纳背负系统包括收纳背包和保护衬垫。

上述收纳背负系统还包括收纳背包，所述背包配有减压缓冲材料的背负双肩带。上述系留气球还包括缆绳系统，缆绳系统包括主系缆、分系缆、载荷系统、索具和连接装置，缆绳系统用于连接所述的其他系统。

上述分系缆通过扁圆形回转球体上部的封套固定子午向位置，分系缆在球体顶部连接。

上述缆绳系统的主系缆和分系缆为光电复合承力缆。

(三)有益效果

1、本实用新型提出了一种超小型系留气球系统，该系留气球系统将系留气球精简至最小化，适合单人或双人操作和携带；操作简便，所需操作人员少，可快速部署、灵活机动；对场地要求低，可在城市、乡村或偏远地区展开及发放。

2、上述超小型系留气球系统可在十几分钟之内快速展开、升空和回收，快速机动，且抗风能力强，在风中驻留时通过尾部稳定风帆实现稳定平衡，为载荷提供稳定的空中工作平台。

3、上述超小型系留气球系统可用于空中观测、通信等，可部署于车辆无法到达的地区；可用于安保、通信等，尤其适用于大型活动或突发事件的短时、快速空中监控、安保和管理指挥，以及偏远地区的通信中继与信号覆盖等。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中超小型系留气球的系统组成和布局图；

图2是图1中球体充气状态的系统布局图；

图3是图1中超小型系留气球的俯视图；

图4是图1中超小型系留气球的仰视图；

图5是本实用新型一实施例中第一收纳背包收纳状态布局示意图；

图6是本实用新型一实施例中第二收纳背包收纳状态布局示意图。

【附图标记说明】

100-球体系统； 101-球体；

102-稳定风帆； 200-绞盘系统；

201-绞盘； 202-固定装置；

203-动力系统； 300-载荷系统；

301-载荷； 302-载荷平台；

303-连接固定装置； 400-缆绳系统；

401-主系缆； 402-后侧分系缆；

403-前侧分系缆； 404-连接装置；

500-地面控制与接收系统； 501-操控设备；

502-数据显示设备； 503-接收天线；

600-充气系统； 601-氦气瓶；

602-充气管； 603-球体保护布；

700-收纳背负系统； 701-第一收纳背包；

702-第二收纳背包。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

球体系统的整个系统超小型化，接近系留浮空器的可浮空极限，受材料密度和浮升气体的限制，尺寸更小的浮空器基本无法带起自身重量。球体本体为扁球形回转体，制造简单，适合小型囊体。由于扁球形相比正球形在用于系留浮空器时，迎风面更小，抗风效果更好，更稳定。但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，所以需要在重量效率和抗风能力之间寻找平衡点。经计算和试验，比较合适的高宽比一般在0.6左右，根据使用和存放场合的要求进行调整，一般取0.5～0.9左右。为了保证更好的圆度和减少加工工时，对于3米左右球体，分模数经优化后取15且分膜数最小一般不小于12，以保证膜片连接处的过度平滑，减少应力集中。球体无需压力控制，简化系统复杂度，降低重量及耗电，气球本身可以不需要电能，通过手动收放摇把式绞盘可实现单人手动操作。球体尺寸较小，表面曲率半径小，承压能力强，升至100米高度后可承受昼夜温差导致的压差变化。球体本身为回转体，为方便确认位置，规定装有稳定风帆(或风翼、风旗、风筒)的一侧为后部，且稳定风帆位于球体后部偏下的位置，可以用于在风中稳定球体方位及姿态。

绞盘方面，无回转锚泊塔等结构，靠主系缆与分系缆连接处的滑环来使主系缆和球体的自转解耦。绞盘包括系缆绞盘本体、收放电机/手动收放摇把、绞盘固定装置。绞盘固定装置可以是地锚，用于将绞盘固定于地面；也可以是挂钩，用于将绞盘连接于重物。

一般将电池与载荷放在一起直接供电，载荷数据及控制信号通过无线传输。如载荷用电量较大需连接供电线缆至地面，则可采用电滑环或光电联轴器。采用地面供电方式时，对电池尺寸和重量基本无要求，载荷持续工作时间可以更长，数据传输带宽也可以更大。该系统可配套的载荷种类包括：可见光、红外、多光谱等光学载荷、通信转发载荷、环境监测载荷等。载荷配套系统还包括云台、载荷吊挂平台，吊挂连接绳索等。云台可用于控制载荷姿态和方位。视频监控类载荷采用具有自稳定功能的云台，可以在气球平台发生晃动或少量倾斜时使监控镜头的视角保持固定。

球体通过多根分系缆与主系缆连接，分系缆通过球体上部的封套固定纬向位置，多根分系缆顶部连接，球体上不需设置拉袢，减少了应力集中、加工工时长和加工难度，提高了耐用程度和抗风能力。连接挂索可单轴转动，球体转动时不会带动主系缆拧转。主系缆采用供电缆或光电复合缆，用于供电和传输数据。

对于具有三根分系缆的系留气球，初始状态下，球体三根分系缆中，后面的一根分系缆比前面的两根分系缆要长，使球体具有一定的向前的自然倾斜度，根据计算和试验结果，结合载荷工作要求，球体的自然倾斜度取10～30°左右比较合适。无风情况下球体中点在绞盘正上方，有风的情况下球体在风力作用下沿下风向偏移，主系缆随之倾斜，球体在三根分系缆的作用下具有一定的向后倾斜的角度，该角度可以部分与球体的自然倾斜度抵消。对于载荷安装位置要求尽可能水平的情况，也可以采用以下方式：后侧的分系缆配合并联安装一根弹力绳，弹力绳收缩时，后侧系缆松弛，长度与两外两根系缆长度一致，球体保持水平。有风时，弹力绳拉长，在一定倾斜角度内，球体仍保持水平。

地面控制/接收终端可用于控制绞盘电机收放、控制载荷云台、控制载荷工作、接收载荷回传数据信息。

充气系统中，氦气瓶根据氦气使用量可使用一个或两个高压气瓶。氦气瓶可放倒放置，其上自带防滚转的结构，并带有与绞盘连接的结构，可将绞盘连接至氦气瓶上，利用其作为重物。如果风力较大，还可以将绞盘连接固定至其他更重的物体上。球体保护套采用轻质高强度纤维复合布制成，耐磨、防刮、防割、防穿刺，外形为整块布料，内衬光滑，不会损伤球体。收纳状态下包裹收叠好的球体之后，放置于背包之中。球体收纳时包裹于球体外部，使球体全部处于球体保护套中，用于保护球体在收纳状态下免于损伤；球体展开充气时将该保护套展开并铺设于地面，将球体放置于其上，用于保护球体免于被地面上的尖锐物损伤，并在充气过程中提供球体铺开的场所。

收纳背负系统外形为大型背包，配有减压缓冲材料的背负双肩带和置于背包背侧的背负减压材料。背包可为两个，由两人分别背负，其中一个包括一个(或两个)大隔舱，用于存放氦气瓶；另一个包括多个独立隔舱，用于存放球体、绞盘(含盘好的主系缆)、载荷平台、地面控制终端等除氦气瓶外的其他设备。背包也可为一个背包，用于存放系留气球的所有部分。

对于更大规模的系统，可采用车载方式，配备车载收纳箱或挂车，其中含气瓶、球体收纳等装置；另外还包括箱体顶部的圆形锚泊托架，托架为圆环外部套软质缓冲材料，用于球体未升空前或降下后的锚泊期间使用，主缆绳通过托架圆环中部与收纳箱底部的绞盘连接，可固定球体，有效防止球体被收纳箱损坏，并且增加其锚泊状态下的抗风能力。

这里举一个具体的实施例，用于说明该系留气球系统的参数确定和系统组成部分：

本实施例中的系留气球适合两人背负操作，具有三个分系缆。

如图1-6所示，一种超小型系留气球包括球体系统100、绞盘系统200、载荷系统300、缆绳系统400、地面控制与接收系统500、充气系统600、收纳背负系统700。

球体系统100包括球体101、稳定风帆102(翼、旗)和充气口等相关结构；

绞盘系统200包括绞盘201、固定装置202和动力系统203；

载荷系统300包括载荷301、载荷平台302和连接固定装置303；

缆绳系统400包括主系缆401、分系缆402-403和连接装置404；

地面控制与接收系统500包括接收天线503、数据显示设备502和操控设备501等；

充气系统600包括氦气瓶601、充气管602和球体保护布603；

收纳背负系统700包括收纳背包701-702、保护衬垫等。

球体101为扁圆形回转球体，球体高宽比为0.6，球体分膜数为15，稳定风帆102为风兜连接于球体并位于球体后下方位置。绞盘系统200中的动力系统203为手动收放摇把，固定装置202为挂钩形式。分系缆有三根，位于球体后方的分系缆402比位于球体前方的分系缆403长，球体的自由倾斜度约15°；充气系统中氦气瓶601为两瓶；收纳背包有两个，为第一收纳背包701和第二收纳背包702，第二收纳背包702具有一个大隔舱，用于存放氮气瓶601，第一收纳背包701包括多个独立隔舱，用于存放球体系统100、绞盘系统200、载荷系统300、缆绳系统400、地面控制与接收系统500等除除氦气瓶外的其他系统，存放时，球体系统100置于球体保护布603中，以防止球体系统在收纳背包中受到损伤。另外，给系留气球中球体充气时，应置于球体保护布603上，如图2所示，用于保护球体免于损伤。最后系留气球的各性能参数为：

最大直径：约3.5米；

最大升空高度：约100米；

载重能力：约1kg；

自由浮力：约1kgf，其中自由浮力为系留气球的总浮力减去总重(包括缆绳升空段的重量)后剩余的浮力值；

总浮力：约为12kgf；

总载重能力：为自重、载荷与仪器包的总重，约为11kg；

系留风力：为3～4级；

地面操作风力：小于3级。

本实用新型的难度在于，该系统接近系留浮空器的尺寸极限，系留浮空器本身固有的升空重量就包括了球体、缆绳等重量，本身就需要一定的浮升气体使其升空，另一方面还需要加上载荷的重量和一定的自由浮力，因此球体的体积不可能无限小。经过反复计算和试验，结合多个超小型系留气球的实际升空测试，得到5～20立方米的体积基本已接近系留气球的极限。

目前普遍使用的氦气瓶充满后在标准大气压的情况下释放出氦气的容量为5立方米左右，因此这里给出的最小5立方米的球体就是为了适应单瓶氦气的容量。当然，如果使用地点的海拔高度较高，那么使用单瓶氦气对应的球体体积就需要进一步增加。体积如果再小，仍然需要一个氦气瓶为其供气，而氦气系统中需要背负的重量最大的就是氦气瓶，这样在整体效率上难以进一步提高。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。