一种系留气球球体、保障方舱、及其系留气球系统的制作方法

本实用新型属于轻于空气飞行器领域，具体涉及一种系留气球球体、保障方舱、及其系留气球系统。

背景技术：

系留气球系统是一种依靠浮力升空、通过系留缆绳实现定点驻空工作的浮空平台，作为一种通用航空飞行器，系留气球系统具有滞空时间长（连续滞空时间从几天至一个月），耐候性强，部署简单灵活，效费比高等优点；可为球载设备提供较大的对地视界范围，滞空高度越高，覆盖范围越大，可用于大气环境监测、预警、电子对抗、遥感与监视、超长波通信以及信息中继等民用和军用领域。

系留气球系统按照其工作外形尺寸大小可以分为微型（100m³及以下）、小型（100m³-300m³）、中型（300m³-3000 m³）、大型（3000m³-5000m³）、特大型系留气球（5000m³以上）系统，通常系留气球系统的组成中均包括有囊体、球载设备、系留缆绳、地面锚泊装置及保障设备等。

中型以上系留气球系统因其外形结构尺寸大，系统结构较为复杂，保障设备众多，一方面在系统的存贮、运输及部署与撤收等过程中，要求操作人员数量多，且技术熟练程度要求高，另一方面，系统展开及撤收过程较为缓慢，因而对这两个过程的气象窗口条件要求苛刻，并且，大量装载有保障设备的配套车辆需要在部署地点停靠，系留气球系统对部署场地及道路条件也有较高的要求，这些不足导致系留气球系统在工程实际应用中受到了较大限制。

针对以往中大型系留气球系统存在的不足，为提高系留气球系统部署的灵活机动性和便捷性，近年来，随着技术的发展，机动式快速部署微小型系留气球系统得到了越来越广泛关注。其中，美国无人机和浮空器制造商DRNE基于美军情报监视和应急通信需求，研制出微型战术浮空器WASP平台，该平台采用了半挂车的形式实现微型系留气球的机动部署，即将囊体、地面锚泊装置及保障设备集成于一个无动力的半挂车上，与WASP相似的微型系留气球平台还有以色列RT技术公司的Skystar系列系留气球、AllsoppHelikites公司的系留气球以及SkySentry公司的TEA-45等；这类微型系留气球系统能够满足重量在40kg、驻空高度200m以下的球载设备需求，灵活机动，部署及撤收速度快。

美国LockeedMartin公司研制的RAID系留气球系统及国内一些单位研制的小型系留气球系统，可满足重量在50kg以上、驻空高度300m以下的球载设备需求，这些系统多采用常规的流线型囊体构型，将囊体、锚泊装置及部分保障设备固定于运输车辆上，一定程度上提高了系统部署的机动性，但是这些系统由于囊体外形尺寸较大，部署操作不便、时间长，操作人员数量多的不足仍然存在。

RT技术公司的单兵携带式系留气球及中国专利申请CN201610879143.3公开的一种超小型系留气球系统，属于微型系留气球系统，采用单人或双人操作和携带的方式，将系留气球系统组件通过先拆解运输后组合成型的方案快速部署到城市、小村或偏远地区，可在车辆无法达到的区域得到应用。然而由于该系统受限于系统重量，采用电池供电，球载设备微小型化，系统升空高度小，覆盖范围小，驻空时间短，因此其功能及应用效果有限。

另外，当前的微小型系留气球系统为提升机动性，最大程度精简了系统组成，没有设置地面操控室，降低了系统使用的舒适性，在没有其他辅助车辆或设施支援的条件下，微小型系留气球系统还难以满足在偏远地区长时间部署的应用需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型旨在提供一种系统集成度高、部署快捷灵活、驻空时间长并且可适应长时间部署工作的微小型系留气球系统，以及系留气球球体、保障方舱，用于解决常规微型系留气球系统功能及应用效果有限、常规小型系留气球系统部署操作不便、耗时等不足。

本实用新型解决问题的技术方案是：一种系留气球球体，包括囊体、设置于囊体下部的迎风兜、设置于囊体上部和下部的充气阀、放气阀及警示灯、设置于囊体底部的测压接口、与囊体连接的系留缆绳、与囊体外表面固定连接的侧拉索，所述囊体为轻柔性复合材料制成的单囊体结构；所有在囊体上安装的零部件与囊体一起构成一个模块化整体，可随囊体一体折叠收纳。

现有的囊体一般为内外双囊体结构，其结构复杂，所附带的各种零部件也复杂，充气速度慢，且需要现场安装各种零部件，浪费时间。而现有的单囊体气球，结构又过于简单，往往只有一个充气的囊体结构，其上面没有或者极少有附属功能部件，不能满足长时间驻空需求。

上述方案将囊体改为单囊体结构，并使囊体上所安装的零部件可随囊体一体折叠，如此便可将囊体整体收纳，需要放飞时可快速充气放飞，省去了现场安装功能部件的程序，实现了快速部署。

进一步的，所述放气阀设置于囊体顶部，所述警示灯设置于放气阀顶部；

还包括可将放气阀与球载设备电连接的电源线及信号线、以及将警示灯与球载设备电连接的电源线及信号线，所述电源线及信号线的上段埋设于囊体内表面、下段从囊体内表面穿出，在囊体表面的穿出位置处设有穿墙电连接器；

所述测压接口连接有可与球载设备连接的引压管，电源线及信号线下段与引压管一起被封装于一套管内并从套管穿出。

电源线及信号线这样的设计更利于随囊体一起折叠。利用套管整体封装可以在囊体充气展开或撤收过程中，实现球载设备的测控箱与囊体的快速装拆。

具体的，所述囊体为以芳纶、或超高分子聚乙烯、或Vectran织物为基础的复合材料制成；

或，所述囊体为以尼龙、或涤纶为基础的复合材料制成；

或，所述囊体为PU、或PE高分子膜材制成。

上述所列举的为基础的材料为制作囊体的基体，制作囊体时还添加有常用的材料，一起形成轻质柔性的复合材料或具有高延伸率轻质柔性复合材料。

进一步的，所述系留缆绳包括主缆绳和分缆绳，所有分缆绳上端与囊体连接、下端汇聚并连接于主缆绳上端；

主缆绳为供电复合缆绳或光电复合缆绳，主缆绳上端设有电滑环或光电滑环，分缆绳通过挂钩与主缆绳上的电滑环或光电滑环连接。

滑环可以起到隔离主缆绳与囊体及球载设备相对运动的作用，避免主缆绳在转动中受损。

同时，本申请一种保障方舱，包括中空的箱型壳体，壳体内腔被隔墙分隔成设备舱和监控舱；

在设备舱内顶部设有用于收纳折叠后囊体的囊体箱，在囊体箱两侧分别设有用于存放充气管的充气管储存箱和用于存放球载设备的球载设备箱；

囊体箱、充气管储存箱、球载设备箱三者连通，且在三者顶部的壳体上设有箱盖；

在设备舱内设有与充气管连接的气体供应装置、与穿过囊体箱底部的系留缆绳连接的第一绞盘，所述第一绞盘固定于壳体底板；

在监控舱内安装有系统操控平台，所述系统操控平台包括控制器、显示单元，所述控制器与第一绞盘、第二绞盘、球载设备、囊体上的电控设备、气体供应装置电连接；

在壳体底部水平延伸设有多个可折叠的水平支臂，每个水平支臂上安装有可对应与侧拉索连接的第二绞盘。

传统技术中，地面设备都是现场散乱放置，组成的系统不够优化，操作不便，不利于快速部署。上述方案将所有用于囊体放飞和撤收过程中的设备都集成布置到一个方舱中，并将结构布局优化，使得更加紧凑，操作、运输更方便，可实现快速部署。

优选的，在隔墙上设置有透明观察窗或用于观察设备舱的摄像头。

在囊体箱底部设有导轮，所述系留缆绳一端与囊体连接、另一端穿过导轮与第一绞盘连接。

导轮用于引导系留缆绳在囊体箱底部的收放，避免系留缆绳与囊体箱干涉。

进一步的，在设备舱内设有供配电装置，所述供配电装置包括发电机和配电柜，发电机通过导轨安装在设备舱底部，在壳体上对应发电机位置开有发电机门。

供配电装置用于无市电情况下的系统正常供电。为避免发电机噪声及振动对操作人员及其他设备的影响，启动发电机之前，可将发电机门打开，将发电机拉出舱外。

优选的，在壳体顶部的囊体箱区域、以系留缆绳为中心，均布设有可折叠倒伏的囊体支架，所述囊体支架上端设有与囊体形状相同的弧形托座。囊体支架用于锚泊时对囊体进行承托，以保证囊体稳定。

优选的，在壳体两侧分别设有可升降的支腿。支腿是壳体的自卸装置，支腿使得方舱底部能够离开地面并上升一定高度，便于在起重设备缺失的情况下，也能实现用普通运输车辆装载和卸载。支腿的升降为电动或手动升降机构。

相应的，本实用新型还提供一种系留气球系统，包括球载设备，所述球载设备包括载荷安装平台、安装在载荷安装平台上表面的测控箱、安装在载荷安装平台下表面的有效载荷，还包括上述系留气球球体，以及上述保障方舱，所述系留缆绳包括主缆绳和分缆绳，所有分缆绳上端与囊体连接、下端汇聚并连接于主缆绳上端，主缆绳与第一绞盘连接；

所述载荷安装平台置于分缆绳所围成的空间之内，载荷安装平台的边沿与分缆绳对应连接；

锚泊时侧拉索对应与各第二绞盘连接。

上述系留气球系统，在保障方舱的支持下，还可以在运输车辆上实现系统充气展开、锚泊及驻空工作，以实现系统的快速机动部署。

上述系留气球系统的存贮、转运、展开与锚泊、升空、撤收五个过程的使用方法如下：

系统存贮：完成撤收后的系统各组成部分经过检修后，将保障方舱的囊体支架折叠后倒伏于舱顶并固定，水平支臂及第二绞盘折叠后存贮于设备舱内两侧，发电机通过导轨固定于设备舱内，囊体（包含囊体上的迎风兜、充气阀、放气阀、警示灯、测压接口等功能部件）及与之相连的侧拉索、分缆绳有序折叠后存贮于囊体箱内。球载设备及与之相连的电源线及信号线下段、引压管等存放于球载设备箱内。

系统转运：有起重设备情况下，可通过起重设备将保障方舱吊运到运输车辆上或从运输车辆上吊到地面。

没有起重设备情况下，操作人员操作或控制支腿升降，使得方舱离开地面一定高度，运输车辆进入方舱底部实现保障方舱的装载，或者运输车辆离开方舱底部实现保障方舱的卸载。

系统展开与锚泊：保障方舱卸载到系统部署地点后，首先支立囊体支架，展开水平支臂，并开启发电机，然后打开箱盖、开启气体供应装置。从充气管存储箱找出充气管并将其与囊体上部的充气阀连接，开始对囊体进行充气，待囊体从囊体箱内升起一定高度后，将充气管从囊体上部的充气阀拆下，并与囊体下部的充气阀连接继续充气。充气过程中，将囊体侧拉索与第二绞盘连接，分缆绳与球载设备连接，电源线及信号线下段及引压管与囊体底部连接。并且，系统操作台上电，监控囊体压力和球载设备状态；当囊体充气完成后，通过控制第二绞盘调节侧拉索长度将囊体锚泊固定在囊体支架上。

系统升空：在监控舱内通过系统操控平台，首先控制第二绞盘同步释放侧拉索，囊体离开囊体支架逐渐升空，随高度增加，操作人员扶持球载设备箱内的球载设备离开保障方舱舱顶；待侧拉索完全释放，控制第一绞盘释放主缆绳，囊体携带球载设备升空。

系统撤收：首先将囊体置于锚泊状态，并将球载设备存贮于球载设备箱内。然后，操作人员通过系统操控平台发出指令打开囊体顶部的放气阀，囊体排除浮升气体。排气过程中，操作人员从囊体上拆卸分离与囊体相连的电源线及信号线下段及引压管。然后束拢好囊体并折叠入囊体箱内，直至排气完成。接着将侧拉索从第二绞盘上取下盘整好放入囊体箱内。最后将保障方舱恢复到存贮状态。

本实用新型的显著效果是：

（1）将囊体改为单囊体结构，并使囊体上所安装的零部件可随囊体一体折叠，如此便可将囊体整体收纳，需要放飞时可快速充气放飞，省去了现场安装零部件的程序，实现了快速部署。

（2）该微小型系留气球系统高度集成于标准尺寸的保障方舱中，所有用于囊体放飞和撤收过程中的设备都集成布置到一个方舱中，并将结构布局优化，使得更加紧凑，操作更方便，可采用吊车吊装或方舱自卸机构从运输车辆上装载或卸载，易于实现快速部署。

（3）该微小型系留气球系统在地面锚泊状态时，囊体通过囊体支架支撑，囊体侧拉索与第二绞盘连接，相对于常规系留气球地面锚泊设备的系留锚泊塔或单一的囊体托架固定，系统易于操作，抗风性能好，环境适应性能强。

（4）该微小型系留气球系统各组成部分采用了模块化设计，使用及操作过程简单、快捷，2-3名操作人员就可以在完成系统的快速部署。

（5）该微小型系留气球系统对部署地点场地要求低，可以在运输车辆上完成展开、锚泊及快速部署，也可以部署到舰船上。

（6）在保障方舱内单独设置了监控舱，为系统操作人员提供了丰富直观的操控界面和舒适的工作环境，使得系统适应在偏远地区或恶劣环境条件下长时间部署。

（7）该微小型系留气球系统载荷能力强、安全性高、保障性好，尤其适合球载设备重量100kg以下、升空高度300m以下的载荷应用需求，可广泛应用于大气环境监测、遥感与侦察监视及通信等领域。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的系留气球系统结构组成示意图。

图2为本实用新型的系留气球球体结构示意图。

图3为本实用新型的系留气球球载设备结构示意图。

图4为本实用新型的系留气球保障方舱结构组成示意图。

图5为本实用新型的系留气球系统锚泊状态主视图。

图6为本实用新型的系留气球系统锚泊状态侧视图。

图7为本实用新型的系留气球系统运输状态示意图。

图8为本实用新型的系留气球系统在车载锚泊状态下示意图。

图9为本实用新型的系留气球系统在车载驻空状态下示意图。

图中：100-系留气球球体，101-囊体，102-迎风兜，103-充气阀，104-放气阀，105-警示灯，106-电源线及信号线上段，107-电源线及信号线下段，108-引压管，109-侧拉索；200-球载设备，201-测控箱，202-载荷安装平台，203-有效载荷；300-保障方舱，301-支腿，302-壳体，303-导轮，310-监控舱，311-隔墙，312-系统操控平台，313-水平支臂，314-座椅，315-空调，316-吊环，320-设备舱，321-囊体箱，322-充气管存储箱，323-球载设备箱，324-囊体支架，325-充气管，326-箱盖，327-载荷托架，328-气体供应装置，329-第一绞盘，330-供配电装置；400-系留缆绳，401-主缆绳，402-分缆绳；500-运输车辆。

具体实施方式

参照图2，一种系留气球球体，包括囊体101、设置于囊体101下部的迎风兜102、设置于囊体101上部和下部的充气阀103、放气阀104及警示灯105、设置于囊体101底部的测压接口、与囊体101连接的系留缆绳400、与囊体101外表面固定连接的侧拉索109。

本实用新型的系留气球球体100采用单囊体结构。囊体101充气成型后为扁球体外形，容积在30m³-300m³。尤其是囊体101容积在100 m³以上时，本实用新型的技术方案在快速持久部署、安全性及保障性方面的优势更加明显。

囊体101采用气密性良好的、耐气候老化的轻质柔性复合材料制作成型。

为了抵抗温差变化及升空高度增加所带来的囊体压差升高，所述囊体101可采用高强、轻质柔性复合材料，如以芳纶、或超高分子聚乙烯、或Vectran织物为基础的复合材料制成。一般情况下，温差变化越大、升空高度越高，柔性复合材料的强度要求越高。

另一方面，囊体101也可以高延伸率轻质柔性复合材料，如以尼龙、或涤纶为基础的复合材料制成；或，为PU、或PE高分子膜材制成。一般来说，采用这种柔性复合材料还可以大幅降低系留气球球体100的制造成本。

系留缆绳400包括主缆绳401及分缆绳402。用于将系留气球球体100、球载设备200及保障方舱300连接起来，构成一套具有完整功能的系留气球系统。

所述分缆绳402为三根或者四根。所有分缆绳402上端与囊体101连接、下端汇聚并连接于主缆绳401上端。主缆绳401为供电复合缆绳或光电复合缆绳，主缆绳401上端设有电滑环或光电滑环，分缆绳402通过挂钩与主缆绳401上的电滑环或光电滑环连接。为了避免球载设备200受雷击影响，一般的，主缆绳401内部还设置有用于为闪电入地提供通道的金属屏蔽层。

为了约束分缆绳402在囊体101上的环向串动范围，囊体101上设置了多个用于分缆绳402定位的限位绳扣。

迎风兜102设置于囊体101下部。采用轻质柔性布料制作。迎风兜102呈倒三角状，其较长的底边与囊体101连接，垂下的尖角通过绳索与一根分缆绳402连接。迎风兜102也可以是三角形与矩形、梯形的复合形状，其主要用于系留气球球体100的姿态自动调节。决定调节效果的主要因素在于迎风兜102的有效尺寸面积。一般情况下，迎风兜102面积越大，产生的气动力越大，系留气球球体100姿态自动调节效果也越明显，但系留气球球体100漂移量也越大，高度下降越大，一定程度影响了系统安全和有效载荷应用效果。因此，迎风兜102的尺寸需要经过综合分析计算确定。

两个充气阀103分别固定在囊体101的上、下部，用于对囊体101充填浮升气体。一个放气阀104设置在囊体101顶部，警示灯105设置在放气阀104顶部。

所述警示灯105可采用直流电源供电式闪光灯或太阳能供电式闪光灯。

放气阀104、警示灯105电源线及信号线分为两段，电源线及信号线上段106设置于囊体101内表面。在囊体制作过程中，电源线及信号线上段106即植入囊体101内表面，电源线及信号线下段107设置于囊体101外，通过在囊体101表面设置穿墙电连接器，使上下两段电源线及信号线连成一体，使囊体101顶部的放气阀104、警示灯105与球载设备200的测控箱201连通。

测压接口通过引压管108与球载设备200的测控箱201连接以监测囊体101在充气后使用过程中的压力。实际使用过程中，将电源线及信号线下段107与引压管通过套管封装在一起构成一个整体，囊体101充气展开或撤收过程中，即可实现测控箱201与囊体101的快速装拆。

保障方舱300长度方向两侧的底部还设置有3-4个可折叠的水平支臂313，并且每个水平支臂313上安装有第二绞盘。

侧拉索109固定在囊体101外表面。囊体101上共设置三根或四根侧拉索侧拉索。采用轻质高强柔性绳索或织带制作。在囊体101锚泊时，与保障方舱300长度方向两侧的水平支臂313上的第二绞盘连接、配套使用，以提高囊体101的抗风能力，保证囊体101锚泊安全。

电源线及信号线上段106、迎风兜102、充气阀103、放气阀104、警示灯105、测压接口及侧拉索109在囊体101过程中均安装到位，使系留气球球体100构成一个模块化的整体。系留气球球体100在撤收、存贮过程中，上述功能结构随囊体101一起被折叠、存贮，大幅提升了系留气球系统的操作的便捷性。

参照附图3，球载设备200主要包括测控箱201、载荷安装平台202及有效载荷203。测控箱201采用密闭式箱体设计，内部安装有控制计算机、供电模块、通信模块、防雷模块及多种传感器。

载荷安装平台202采用三角形或四边形桁架结构，其上表面安装测控箱201，下表面安装有效载荷203。载荷安装平台202置于分缆绳402所围成的空间之内。载荷安装平台202的边沿与分缆绳402对应连接。

参照附图4，保障方舱300包括中空的箱型壳体302，壳体302内腔被隔墙311分割为设备舱320和监控舱310两个部分。壳体302顶部四角分别设置有吊环316。通过吊环316，采用起重设备及吊带（绳索）将保障方舱300吊离一定高度，实现保障方舱300在车辆或船舶上的装载或卸载。

设备舱320顶部设置有相连一体的囊体箱321、充气管存储箱322及球载设备箱323。囊体箱321、充气管储存箱322、球载设备箱323三者连通，且在三者顶部的壳体302上设有箱盖326。设备舱320内还安装有气体供应装置328、第一绞盘329及供配电装置330。

球载设备箱323内部设置载荷托架327，系统未升空时，球载设备200及与之相连的电源线及信号线缆下段107、引压管108等存放于球载设备箱323的载荷托架327上。

第一绞盘329固定在设备舱320的底板上，囊体101升降过程中，主缆绳401在第一绞盘329和囊体箱321底部的导轮303引导下进入并达到保障方舱300上方。

所述供配电装置330包括发电机和配电柜，发电机通过导轨安装在设备舱底部，在壳体302上对应发电机位置开有发电机门。

气体供应装置328为模块化的高压气体气瓶组，气瓶组通过高压气管与充气管存储箱322内的囊体充气管325连接。

为了降低系统结构重量和节省设备舱320内空间，气体供应装置328可采用压力超过40MPa的复合材料高压气体气瓶组代替常规15MPa-20MPa钢质高压气体气瓶组。并且，为了提高系统的保障能力，要求气体供应装置328所能提供的浮升气体体积比囊体101的容积大10%-20%。

监控舱310内安装有系统操控平台312、座椅314及空调315。隔墙311上设置有透明观察窗或摄像头，操作人员在监控舱310内即可察看设备舱320内设备工作状态。

所述系统操控平台312包括控制器、显示单元，所述控制器与第一绞盘329、第二绞盘、球载设备200、囊体101上的充气阀103和放气阀104等电控设备、气体供应装置328电连接。

在壳体302顶部的囊体箱321区域、以主缆绳401为中心，均布设有可折叠倒伏的囊体支架324。所述囊体支架324上端设有与囊体形状相同的弧形托座。

保障方舱300侧壁上设有收纳孔，运输时候，水平支臂313折叠后可收藏在保障方舱300侧壁上的收纳孔内。

保障方舱300前后两侧还分别设置有支腿301。支腿301是壳体302的自卸装置，支腿301使得方舱底部能够离开地面并上升一定高度，便于在起重设备缺失的情况下，也能实现用普通运输车辆装载和卸载。支腿301的升降为电动或手动液压升降机构。

参照图1、图5、6，上述结构组成了一种微小型系留气球系统，主要由系留气球球体100、球载设备200、保障方舱300及系留缆绳400等四部分构成。

结合图7-图9，本实用新型的一种微小型系留气球系统在运输车辆500的支持下，可以在运输车辆500上充气展开、锚泊及驻空工作，以实现系统的快速机动部署。