辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇稳态升降的方法与流程

本发明涉及飞艇领域，尤其涉及平流层飞艇领域。

背景技术：

在21世纪初，平流层飞艇备受各大国的关注，预测应用领域遍布民用、警用、准军用、军用等；目前，平流层飞艇多应用于海洋研究、抢险救灾、城市交通管理等民用领域。

平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，依靠空气浮力驻空，可以长期悬浮于平流层高空，由太阳能为其提供能源动力，并带有推进系统，具有不依赖机场或跑道可实现垂直起降、能悬停于任意地理位置上空，运行高度超出空管范围，不受对流层恶劣天气影响，可全天侯全天时连续工作，并且除了需要地面指挥和数据接受处理设施，几乎不需要其他地面基础设施支持，各个方面有着无与伦比的优势。

但是当前平流层飞艇技术还不是很成熟，飞艇形状多是水滴状的单艇身，导致太阳能发电装置铺设面积有限，加上光能转化功率有限，从而限制了飞艇的功率，飞艇动力不足的情况下飞艇抗风能力就弱，整个飞艇不论是受控能力还是承载能力都十分有限，但是如果单纯只考虑增加飞艇的上表面面积，过大的飞艇受到的阻力就大，机动能力降低，控制起来不方便，也不是很实用。

另一方面，现有的平流层飞艇调节高度能力有限，一般是昼间氦温差高时则飘升至30000米左右，在夜间氦温差低时则降至18000米~20000米，甚至跌落至对流层，遇到强风被吹落，飞艇没有办法控制飞行姿态也没有办法控制巡航高度，可控性太差，容易造成致命损坏。

还有当前平流层飞艇的起飞方法采用的是非稳态升降方法，起飞时，没有充气的飞艇被向上提升至平流层后才展开成型，这种方法的弊端很多，一方面升到平流层才展开飞艇不能很好的保证太阳能电池在飞艇背部平整铺设，另一方面是这种起飞方法使得飞艇在经过对流层的时候，如果遇到强风带或者大风的时候甚至都不能平安穿过对流层到达平流层。当前平流层飞艇的降落时多采用自毁式坠落的方法，就是飞艇将气囊用火工品爆裂，自毁式下落，一方面是落地点范围特别大，并且完全随机，大大降低了飞艇回收利用率，另一方面是这种下落方法对于仪器设备来说损坏严重，成本太高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种宽体可变翼的平流层飞艇，飞艇带有可折叠艇翼，艇翼上铺设太阳能电池，大大增加了太阳能发电装置的铺设面积，将光能转化成足够的电能驱动矢量推进器，使得飞艇动力十足，飞行起来可控性和承载能力显著提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

宽体可变翼的平流层飞艇，包括宽艇体、太阳能发电装置、矢量推进器、折叠艇翼、压力系统和飞控系统；宽艇体上部铺设安装有太阳能发电装置，折叠艇翼安装在宽艇体的两侧，折叠艇翼是骨架结构，且上部固定安装有太阳能发电装置的太阳能电池，折叠艇翼能折叠收缩或者平铺展开，矢量推进器对称的安装在宽艇体的两侧和宽艇体的后部，压力系统完成宽艇体的充气或者放气工作，太阳能发电装置为矢量推进器、压力系统、折叠艇翼和飞控系统供电，飞控系统分别与太阳能发电装置、矢量推进器、折叠艇翼和压力系统电连接，且分别控制太阳能发电装置、矢量推进器、折叠艇翼和压力系统工作。

最优的，该飞艇还包括副翼、尾翼、舵面和辅升气球装置，副翼设置于折叠艇翼后部，且副翼能相对于折叠艇翼调节角度，尾翼包括设置于飞艇尾部两侧的双水平尾翼和设置于飞艇尾部的上部的双垂直尾翼，舵面设置于尾翼后部，且舵面能相对于尾翼调节角度；辅升气球装置包括辅升气球、牵引绳和锁扣，所述锁扣固定安装在飞艇上部，且锁扣与飞控系统电连接，即锁扣受飞控系统控制锁定或者开启，辅升气球通过牵引绳固定在锁扣上，锁扣锁定时辅升气球与飞艇连接在一起，锁扣开启时辅升气球与飞艇分离。

最优的，所述宽艇体是由三个单囊体连体组合而成，宽艇体的长度与宽度的比例为2.1～2.5:1；一个单囊体位于中间，两个单囊体位于两侧，且中间的单囊体的头部突出于两侧的单囊体的头部；中间的单囊体水平位置高于两侧的单囊体，即三个单囊体在中间的单囊体下部围成一个吊舱空间；所述压力系统包括鼓风机和放气阀门，鼓风机和放气阀门均安装在单囊体上，鼓风机用于向单囊体中充气，放气阀门用于单囊体的放气；所述单囊体包括主气囊和设置在主气囊内部的副气囊，所述副气囊分为前副气囊和后副气囊，主气囊、前副气囊和后副气囊分别有压力系统完成充气或者放气工作，主气囊中充氦气，副气囊中充空气，副气囊的总容积占整个宽艇体容积的93%，主气囊的总容积占整个宽艇体容积的7%。

最优的，该飞艇还包括着陆缓冲装置和艇载设备保护装置，两侧的两个单囊体下部分别设置安装有着陆缓冲装置，所述着陆缓冲装置在飞艇着陆时才启动打开；艇载设备保护装置在飞艇超重难以正常飞行时，将艇载设备弹射出去，且打开固定在艇载设备上的降落伞，保护艇载设备安全着陆；所述飞艇的两侧分别固定安装有三个矢量推进器，且飞艇的后部固定安装有两个矢量推进器，矢量推进器使用碳纤维骨架支撑，内部用悬挂屏吊载安装在飞艇上；所述太阳能发电装置使用薄膜或非晶硅太阳能电池，太阳能电池边沿下侧两米处安装设置折叠艇翼；所述折叠艇翼的骨架结构由碳纤维、钛铝合金或者镍钛合金材料制成，在地面、上升过程、下降过程中或者没有太阳的时候折叠艇翼都处于折叠收缩状态，在处于平流层时折叠艇翼平铺展开，且其上部的太阳能电池也平铺展开开始工作。

针对现有技术的不足，本发明还提供上述宽体可变翼的平流层飞艇保持巡航高度的方法，飞艇能自主调整俯仰姿态，同时能自主控制高度，满足各种飞行要求，使得飞艇安全可控。

当上述飞艇低于巡航高度时，选择以下三种方式中的至少一种方式使飞艇回到巡航高度：

第一种上升方式：控制飞艇的副翼相对艇翼向上调节角度，增加副翼的仰角，控制飞艇的舵面相对于水平尾翼向上调节角度，增加舵面的仰角，控制飞艇的矢量推进器提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第二种上升方式：控制飞艇的后副气囊和/或前副气囊的压力系统，使飞艇保持仰角，控制飞艇的矢量推进器提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第三种上升方式：控制飞艇的矢量推进器，使飞艇回到巡航高度。

最优的，所述第二种上升方式中使飞艇保持仰角的具体方法是以下的至少一种：

控制飞艇的后副气囊充气并同时控制前副气囊放气，使飞艇保持仰角；

控制飞艇的后副气囊中的空气量大于前副气囊中的空气量，即后副气囊中的空气质量大于前副气囊中的空气质量，使飞艇保持仰角；

所述第三种上升方式的具体方法是以下的至少一种：

控制飞艇两侧的矢量推进器开启并向上30~90度，为飞艇提供向上的拉力，使飞艇回到巡航高度；

控制飞艇后部的矢量推进器开启并向下30~90度，为飞艇提供向上的推力，使飞艇回到巡航高度。

当上述飞艇高于巡航高度时，选择以下三种方式中的至少一种方式使飞艇回到巡航高度：

第一种下降方式：控制飞艇的副翼相对艇翼向下调节角度，增加副翼的俯角，控制飞艇的舵面相对于水平尾翼向下调节角度，增加舵面的俯角，控制飞艇的矢量推进器提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第二种下降方式：控制飞艇的后副气囊和/或前副气囊的压力系统，使飞艇保持俯角，控制飞艇的矢量推进器提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第三种下降方式：控制飞艇的矢量推进器，使飞艇回到巡航高度。

最优的，所述第二种下降方式中使飞艇保持俯角的具体方法是以下的至少一种：

控制飞艇的后副气囊放气并同时控制前副气囊充气，使飞艇保持俯角；

控制飞艇的后副气囊中的空气量小于前副气囊中的空气量，即后副气囊中的空气质量小于前副气囊中的空气质量，使飞艇保持俯角；

所述第三种下降方式的具体方法是以下的至少一种：

控制飞艇两侧的矢量推进器开启并向下30~90度，为飞艇提供向下的拉力，使飞艇回到巡航高度；

控制飞艇后部的矢量推进器开启并向上30~90度，为飞艇提供向下的推力，使飞艇回到巡航高度。

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种宽体可变翼的平流层飞艇的稳态升降方法，飞艇是成型后才起飞，飞艇较重的自重和矢量推进器使得飞艇稳态上升，平稳穿过对流层到达平流层，另一方面飞艇降落的时候也不需要放气排空后坠落，而是凭借自重下降的同时矢量推进器控制速度，在预定的较小范围内降落，整个升降过程都可控。

上述飞艇上升方法包括以下步骤：

飞艇成型：将飞艇的艇体充满气体，然后安装太阳能发电装置、矢量推进器和飞控系统，即飞艇成型；

放飞飞艇：将成型的飞艇放飞，飞艇凭借自身浮力上升至平流层；折叠艇翼展开：到达平流层且有了阳光后，折叠艇翼平铺展开，且其上部的太阳能电池也平铺展开开始工作。

最优的，该飞艇上升方法中的放飞飞艇具体包括以下步骤：

固定辅升气球：成型的飞艇上部固定锁扣，并将锁扣锁定固定有辅升气球的牵引绳，辅升气球内充氢气或氦气，将吊挂有辅升气球的飞艇放飞，飞艇凭借自身和辅升气球的浮力上升至平流层；

释放辅升气球：飞艇抵达平流层后，飞控系统控制锁扣开启，将辅升气球与飞艇分离。

最优的，所述飞艇上升率为5～7米/秒；所述飞艇的气囊分为主气囊和副气囊，其中主气囊中充的是氦气，副气囊中充的是空气，氦气占总充气量的7%，空气占总充气量的93%；所述飞艇成型过程中，副气囊充满空气后副气囊压力为200～400帕，主气囊充满氦气后主气囊压力正常为300～400帕，最大不超过600帕。

上述飞艇下降方法包括以下步骤：

折叠艇翼收起：飞控系统控制折叠艇翼折叠收缩；

飞艇保持形状：飞艇从外界抽取空气填充飞艇内氦气收缩产生的空间，保持飞艇形状与飞艇上升时一致；

飞艇下降：飞艇凭借重力下降；

飞艇着陆：飞艇下降至距离地面1200米以上时，启动飞艇的电动机，控制飞艇角度和下降率，控制飞艇着陆。

最优的，所述飞艇下降率小于或者等于5米/秒；所述飞艇着陆的具体步骤是，所述飞艇下降至距离地面1200以上米时，启动飞艇的电动机，控制飞艇保持-2～0度俯角，并且将飞艇的下降率调整至3米/秒；所述飞艇下降至距离地面300米时，控制飞艇保持0～+2度仰角，使用飞艇的电动机，将飞艇的下降率调整至1米/秒；飞艇下降至距离地面50米时，放下系留缆；所述飞艇下降至距离地面10米时，使用飞艇的电动机，将飞艇的下降率调整至0.5米/秒，电动机矢量控制和舵面操纵飞艇以仰角3~5度保持迎风着陆；所述飞艇下降时，如果为超重状态，在飞艇下降至距离地面3000米时，飞控系统控制艇载设备保护装置将艇载设备弹射出去，且打开固定在艇载设备上的降落伞，保护艇载设备安全着陆；在飞艇距离地面50米左右时，着陆缓冲装置自动启动。

由上述技术方案可知，本发明提供的宽体可变翼的平流层飞艇，带有折叠艇翼，飞艇升至平流层太阳出来时折叠艇翼打开，艇翼上铺设有太阳能板,大大增加了太阳能发电装置的铺设面积，将光能转化成足够的电能驱动矢量推进器，使得飞艇动力十足，同时利用尾翼结构、副气囊充气或者放气和矢量推进器等结构可以保证在飞艇可以保持一定俯仰角飞行，从而保持某一预定高度巡航，安全可控性大大提升，飞行起来可控性和承载能力显著提升。

附图说明

附图1是宽体可变翼的平流层飞艇的结构示意图。

附图2是宽体可变翼的平流层飞艇的俯视图。

附图3是宽体可变翼的平流层飞艇的右视图。

附图4是宽体可变翼的平流层飞艇的前视图。

附图5是辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇放飞时的结构示意图。

附图6是辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇上升过程中的结构示意图。

附图7是辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇抵达平流层后的结构示意图。

图中：单囊体1、主气囊2、前副气囊3、后副气囊4、折叠艇翼5、副翼6、尾翼7、舵面8、矢量推进器9、太阳能发电装置10、着陆缓冲装置11、辅升气球12、牵引绳13、锁扣14。

具体实施方法

结合本发明的附图，对发明实施例的技术方案做进一步的详细阐述。

参照附图1所示，宽体可变翼的平流层飞艇包括宽艇体、太阳能发电装置10、矢量推进器9、压力系统、飞控系统、折叠艇翼5、副翼6、尾翼7、舵面8、着陆缓冲装置11、艇载设备保护装置和辅升气球装置。

折叠艇翼5安装在宽艇体的两侧，折叠艇翼5是骨架结构，且上部固定安装有太阳能发电装置（10）的太阳能电池，折叠艇翼5能折叠收缩或者平铺展开，折叠艇翼5的骨架结构由碳纤维、钛铝合金或者镍钛合金材料制成，在地面、上升过程、下降过程中或者没有太阳的时候折叠艇翼5都处于折叠收缩状态，在处于平流层时折叠艇翼5平铺展开，且其上部的太阳能电池也平铺展开开始工作。折叠艇翼5大大增加了飞艇的太阳能电池的面积，也就是增加了矢量推进器9的功率，增加飞艇的可控性。

飞艇还包括折叠艇翼5、副翼6、尾翼7和舵面8，太阳能电池边沿下侧两米处安装设置折叠艇翼5，两个折叠艇翼5分别设置于飞艇中部的两侧，副翼6设置于折叠艇翼5后部，且副翼6能相对于折叠艇翼5调节角度，尾翼7包括设置于飞艇尾部两侧的双水平尾翼和设置于飞艇尾部的上部的双垂直尾翼，舵面8设置于尾翼7后部，且舵面8能相对于尾翼7调节角度。

参照附图5所示，辅升气球装置包括辅升气球12、牵引绳13和锁扣14，所述锁扣14固定安装在飞艇上部，且锁扣14与飞控系统电连接，即锁扣14受飞控系统控制锁定或者开启，辅升气球12通过牵引绳13固定在锁扣14上，锁扣14锁定时辅升气球12与飞艇连接在一起，锁扣14开启时辅升气球12与飞艇分离。

参照附图4所示，宽艇体是由三个一样的单囊体1连体组合而成，宽艇体长186米、宽86米、高52米，宽艇体的长度与宽度的比例为2.1～2.5:1, 单囊体1长168米、最大直径42米；一个单囊体1位于中间，两个单囊体1位于两侧，且中间的单囊体1的头部突出于两侧的单囊体1的头部；中间的单囊体1水平位置高于两侧的单囊体1，即三个单囊体1在中间的单囊体1下部围成一个吊舱空间，该吊舱空间可以放置艇载设备、艇载设备。

参照附图2所示，压力系统包括鼓风机和放气阀门，鼓风机和放气阀门均安装在单囊体上，鼓风机用于向单囊体中充气，放气阀门用于单囊体的放气；单囊体1包括主气囊2和设置在主气囊2内部的副气囊，所述副气囊分为前副气囊3和后副气囊4，主气囊2、前副气囊3和后副气囊4分别由压力系统完成充气或者放气工作，鼓风机和放气阀门成对的安装在主气囊2、前副气囊3和后副气囊4上，鼓风机用于充气，放气阀门用于放气，主气囊2中充氦气，副气囊中充空气，主气囊2总体积309,960立方米，副气囊总容积为21,697立方米，主气囊2表面积29,358平方米，副气囊表面积27,000平方米，海平面净升力22,023千克，副气囊的总容积占整个宽艇体容积的93%，主气囊2的总容积占整个宽艇体容积的7%。

宽艇体上部可以铺设安装至少5,600平方米的太阳能发电装置10，折叠艇翼5上可以铺设安装至少1,000平方米的太阳能发电装置10，太阳能发电装置10使用薄膜或非晶硅太阳能电池，太阳能电池的覆盖面积是水滴形单艇囊2-3倍左右。

参照附图3所示，矢量推进器9对称的安装在宽艇体的两侧和宽艇体的后部，飞艇的两侧分别固定安装有三个矢量推进器9，且飞艇的后部固定安装有两个矢量推进器9，一共安装的八台矢量推进器9可以提供1,020KW的动力，矢量推进器9使用碳纤维骨架支撑，内部用悬挂屏吊载安装在飞艇上；压力系统完成宽艇体的充气或者放气工作，太阳能发电装置10为矢量推进器9、压力系统和飞控系统供电，飞控系统分别与太阳能发电装置10、矢量推进器9、折叠艇翼5和压力系统电连接，且分别控制太阳能发电装置10、矢量推进器9、折叠艇翼5和压力系统工作。

两侧的两个单囊体1下部分别设置安装有着陆缓冲装置11，所述缓冲装置在飞艇着陆时才启动打开；艇载设备保护装置在飞艇超重难以正常飞行时，将艇载设备弹射出去，且打开固定在艇载设备上的降落伞，保护艇载设备安全着陆。

本发明还提供一种辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇的稳态上升方法包括以下步骤：

飞艇成型：将飞艇的艇体充满气体，飞艇的气囊分为主气囊2和副气囊，其中主气囊2中充的是氦气，副气囊中充的是空气，氦气占总充气量的7%，空气占总充气量的93%；所述飞艇成型过程中，副气囊充满空气后副气囊压力为200～400帕，主气囊2充满氦气后主气囊2压力不超过600帕，然后安装太阳能发电装置10、矢量推进器9和飞控系统，即飞艇成型。

参照附图5所示，固定气球：成型的飞艇上部固定锁扣14，并将锁扣14锁定固定有辅升气球12的牵引绳13，辅升气球12内充氢气或氦气，将固定有辅升气球12的飞艇放飞，参照附图6所示，飞艇凭借自身和辅升气球12的浮力上升至平流层，上升率控制在5～7米/秒，到达平流层有了太阳后，折叠艇翼（5）平铺展开，且其上部的太阳能电池也平铺展开开始工作。

参照附图7所示，释放辅升气球12：飞艇抵达平流层后，飞控系统控制锁扣14开启，将辅升气球12与飞艇分离。

折叠艇翼展开：到达平流层且有了阳光后，飞控系统控制折叠艇翼5平铺展开，且其上部的太阳能电池也随之平铺展开开始工作。

本发明还提供一种辅升气球带宽体可变翼的平流层飞艇的稳态下降方法包括以下步骤：

折叠艇翼收起：飞控系统控制折叠艇翼5折叠收缩；

飞艇保持形状：飞艇从外界抽取空气填充飞艇内因氦气收缩产生的空间，保持飞艇形状与飞艇上升时一致；

飞艇下降：一般选在黄昏和夜间，飞艇凭借重力下降；下降率控制在小于或者等于5米/秒；如果下降速度过快直至超重状态，在飞艇下降至距离地面3000米时，飞控系统控制艇载设备保护装置将艇载设备弹射出去，且打开固定在艇载设备上的降落伞，保护艇载设备安全着陆；

飞艇着陆：飞艇下降至距离地面1200米以上时，启动飞艇的电动机，控制飞艇保持-2～0度俯角，并且将飞艇的下降率调整至3米/秒；所述飞艇下降至距离地面300米时，控制飞艇保持0～+2度仰角，使用飞艇的电动机，将飞艇的下降率调整至1米/秒；飞艇下降至距离地面50米时，放下系留缆；所述飞艇下降至距离地面10米时，使用飞艇的电动机，将飞艇的下降率调整至0.5米/秒，电动机矢量控制和舵面操纵飞艇以仰角3~5度保持迎风着陆，在飞艇距离地面50米左右时，着陆缓冲装置11自动启动。

本发明还提供一种宽体可变翼的平流层飞艇保持巡航高度的方法：

当上述宽体可变翼的平流层飞艇低于巡航高度时，选择以下三种方式中的至少一种方式使飞艇回到巡航高度：

第一种上升方式：控制飞艇的副翼6相对折叠艇翼5向上调节角度，增加副翼6的仰角，控制飞艇的舵面8相对于水平尾翼7向上调节角度，增加舵面8的仰角，控制飞艇的矢量推进器9提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第二种上升方式：控制飞艇的后副气囊4和/或前副气囊3的压力系统，使飞艇保持仰角，控制飞艇的矢量推进器9提供动力，使飞艇回到巡航高度；具体可以是控制飞艇的后副气囊4充气并同时控制前副气囊3放气，使飞艇保持仰角；或者控制飞艇的后副气囊4中的空气量大于前副气囊3中的空气量，即后副气囊4中的空气质量大于前副气囊3中的空气质量，使飞艇保持仰角。

第三种上升方式：控制飞艇的矢量推进器9，使飞艇回到巡航高度；具体是控制飞艇两侧的矢量推进器9开启并向上30~90度，为飞艇提供向上的拉力，使飞艇回到巡航高度；或者控制飞艇后部的矢量推进器9开启并向下30~90度，为飞艇提供向上的推力，使飞艇回到巡航高度。

当上述宽体可变翼的平流层飞艇高于巡航高度时，选择以下三种方式中的至少一种方式使飞艇回到巡航高度：

第一种下降方式：控制飞艇的副翼6相对折叠艇翼5向下调节角度，增加副翼6的俯角，控制飞艇的舵面8相对于水平尾翼7向下调节角度，增加舵面8的俯角，控制飞艇的矢量推进器9提供动力，使飞艇回到巡航高度；

第二种下降方式：控制飞艇的后副气囊4和/或前副气囊3的压力系统，使飞艇保持俯角，控制飞艇的矢量推进器9提供动力，使飞艇回到巡航高度；具体是控制飞艇的后副气囊4放气并同时控制前副气囊3充气，使飞艇保持俯角；或者控制飞艇的后副气囊4中的空气量小于前副气囊3中的空气量，即后副气囊4中的空气质量小于前副气囊3中的空气质量，使飞艇保持俯角；

第三种下降方式：控制飞艇的矢量推进器9，使飞艇回到巡航高度；具体是控制飞艇两侧的矢量推进器9开启并向下30~90度，为飞艇提供向下的拉力，使飞艇回到巡航高度；或者控制飞艇后部的矢量推进器9开启并向上30~90度，为飞艇提供向下的推力，使飞艇回到巡航高度。