一种临近空间气球发放装置及发放方法与流程

1.本发明属于临近空间飞行器技术领域，尤其涉及一种临近空间气球发放装置及发放方法。


背景技术：

2.临近空间气球是一种可长时间在距海平面20～100km高的空间区域执行飞行任务的飞行器，主要包括超压式气球和零压式气球两类，相对于其他飞行器，它具有飞行高度高、成本低、滞空时间长等优势。利用临近空间气球携带相应的工作载荷，可实现气象环境监测、区域通信、国土普查、城市交通监测、地球探测、天文观测及高空探险旅游等应用目的。
3.通常临近空间气球（简称“气球”）主要包括气囊、阀门组件、降落伞等三部分,其中，气囊采用超薄柔性复合材料制造，具有容积大、气密性好的特点，用于充填浮升气体使气球系统获得足够升力升空，阀门组件由放气阀、安全控制器件、传感器及应急电源等部分组成，在地面控制指令或程序控制下，通过阀门组件可实现对气球的飞行高度、位置等状态的调控，降落伞居中连接工作载荷与气囊，主要用于气球搭载的工作载荷安全着陆回收。
4.在完成气球各组成部分的制造、测试后，对气球各组成部分进行可靠存贮、运输，并且在飞行试验过程中，安全、快速完成系统集成和发放，是保障临近空间气球能够成功放飞、长期驻空的关键。
5.传统的临近空间气球采用各部分独立包装、分开存放、再集中运输到试验场，在试验场将气球展开，对组成部分依次完成集成装配和测试，在等待并获得较平稳的气象条件后，对气囊充气，将气球系统发放升空，这种气球及其发放方法存在如下技术不足：1）效率低：气球发放前的准备和总装时间长，需要在试验现场临时进行结构、电气集成装配，地面底座组成复杂，装置的部署和位置调整耗时长，仅气球系统发放准备时间达到4h以上，难以满足临近空间气球快速发放、快速部署需求。
6.2）工作量大，劳动强度大：气球的发放前的准备工作任务重，工作强度大，气球发放过程中，工作岗位较多，需要较庞大的试验队伍支撑气球发放操作，因此临近空间气球发放试验成本较高。
7.3）环境适应性不足，气球受气象条件，尤其是风和雨的影响较大，等待满足发放的气象条件时间长，且发放时间窗口难以确定，风向的改变或者短时的阵风都可能造成气球受损，试验任务终止。
8.4）安全性不足：气球离地前，试验场上气球系统的各组成部分、供电线路及辅助绳索等试验器材、物资交叉布置，易造成操作人员人身伤害或系统组成部分受损；并且，气囊部件在现场展开作业过程中也易受到意外损伤，致使飞行试验任务提前终止。
9.因此，有必要提供一种技术手段解决上述不足。


技术实现要素：

10.本发明目的在于提供一种临近空间气球发放装置及发放方法，以解决临近空间气球部署和发放效率低的技术问题。
11.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：一种临近空间气球发放装置，所述发放装置包括底座及安装在所述底座上的临近空间气球系统，所述临近空间气球系统包括储运筒及设置在所述储运筒内的临近空间气球，所述储运筒的筒体由至少两个边缘相互对接的外壳组成，所述外壳之间通过多组分离装置连接；所述底座包括工作平台，所述临近空间气球系统安装在工作平台上，所述工作平台的上端面设有多组与所述外壳配合的外壳驱动装置，所述工作平台上设有多根与所述临近空间气球配合的系留索，所述工作平台上设有第一通孔，所述第一通孔位于所述筒体的下方，所述第一通孔的下方设有临近空间气球工作载荷的放置空间，所述第一通孔处设有载荷悬挂装置，所述工作平台的一侧设有发放通道，所述发放通道与第一通孔连通。
12.由此，本发明的临近空间气球发放装置，采用一体化集成储运模式的临近空间气球系统可以在气球发放前省去繁琐的现场部署气球的程序，通过工作平台上的外壳驱动装置体和系留索等部件与之配合，使临近空间气球系统在发放过程中各个步骤有序衔接，实现气球的快速发放。
13.进一步，所述系留索分为气囊系留索和载荷系留索，所述气囊系留索和载荷系留索分别由设置在所述工作平台的上端面的气囊系留绞盘和载荷系留绞盘控制。
14.进一步，所述工作平台的上端面还设有控制器，所述底座的底部设有旋转底盘，所述外壳驱动装置、气囊系留绞盘、载荷系留绞盘、旋转底盘均与所述控制器电连接。
15.再进一步，所述外壳驱动装置为设置在所述工作平台上端面的多组推杆组件，每一组所述推杆组件包括第一推杆和第二推杆，所述第一推杆和第二推杆均与一个外壳连接。
16.再进一步，所述外壳驱动装置为设置在所述工作平台上端面的多组滑轨组件，所述组滑轨组件包括安装在所述外壳底部的滑轮和设置在所述工作平台上的滑轨。
17.更进一步，所述载荷悬挂装置为挂锁，所述挂锁包括一个伸入发放通道内的锁杆及安装在所述锁杆上的安全销，所述临近空间气球的工作载荷挂置于所述锁杆上。
18.更进一步，所述筒体22顶部设置有系留索保护器222，所述系留索保护器222上设有第二通孔224，所述系留索从第二通孔224中穿过。
19.此外，所述储运筒的底端设有底盖，所述底盖由两块隔板通过可脱离式铰链连接而成，所述底盖的中心处设有第三通孔。
20.基于同一个发明构思，本发明还公开了一种使用如上所述的临近空间气球发放装置进行临近空间气球发放的方法，所述临近空间气球包括气囊、降落伞、工作载荷，所述气囊设置在临近空间气球的上部，所述工作载荷设置在临近空间气球的下部，所述气囊与工作载荷之间连接有降落伞，所述临近空间气球发放的方法包括如下步骤：步骤一：开展并完成临近空间气球系统的发放状态检查，并同步完成底座的总装与测试；步骤二：将所述临近空间气球系统安装到工作平台上；
步骤三：根据风速和风向调整工作平台，使所述发放通道的开口方向与风向保持一致；步骤四：将工作载荷挂置于载荷悬挂装置上，将降落伞的伞带穿过所述第一通孔与工作载荷连接；步骤五：向气囊内充气，将系留索分别与工作载荷和设置在所述气囊上的气囊约束器连接；待上浮的气囊将其连接的降落伞拉直，控制系留索，调整气囊的高度；步骤六：启动分离装置，使所述外壳被快速分成多个部分，所述外壳驱动装置动作，驱动所述外壳先背向移动一段距离，再控制外壳的上部张开；待气囊及降落伞全部从储运筒内露出后，控制系留索完成浮力转移；步骤七：切断与工作载荷连接的系留索，控制气囊约束器松开束缚，完成临近空间气球发放。
21.本发明的一种临近空间气球发放装置及发放方法具有以下优点：1）、气球系统的阀门组件、气囊、降落伞等组成部分在储运前集成装配于一体，适应于系统的长期存储和长途运输，无须在试验现场临时进行结构、电气集成装配，有利于临近空间气球系统后续快速完成发放准备工作。
22.2）、气球系统底座采用模块化设计，该装置的组装、工作过程中的位置调整及作动机构的控制操作等相对快捷，安全。
23.3）、这种一体化的临近空间气球系统和灵活的地面底座，环境适应性好，可实现远程、自动化的气球发放操作，临近空间气球系统的发放过程高效、安全，可大幅提升临近空间气球系统发放效率和发放成功率，可实现临近空间气球系统的机动、快速部署，尤其适用于中小型临近空间气球系统上的快速、批量发放。
附图说明
24.图1中a）为储运筒结构示意图，b)为临近空间气球系统结构示意图；图2为本发明的底座结构示意图；图3为本发明的临近空间气球系统与底座对接示意图；图4为本发明的临近空间气球发放装置结构示意图；图5为完成顶罩分离后的临近空间气球系统状态示意图；图6为本发明的气囊充气状态示意图；图7为本发明的储运筒打开状态示意图；图8为本发明的工作载荷释放状态示意图；图9为本发明的临近空间气球系统完全释放后升空示意图；图10为本发明的筒体截面第一实施例示意图；图11为本发明的筒体截面第二实施例示意图；图12为本发明的筒体截面第三实施例示意图；图13为本发明的气囊地面约束方式示意图；图14为本发明的底盖结构示意图；图15为本发明的挂锁结构示意图；图16为本发明的临近空间气球系统发放工作流程图。
25.图中标记说明：10、临近空间气球系统；11、阀门组件；12、气囊；121、气囊充气管；122、气囊约束器；14、降落伞；15、限位工装；17、铰接接口；20、储运筒；21、顶罩；22、筒体；221、槽口；222、系留索保护器；223、分离装置；224、第二通孔；23、底盖；231、可脱离式铰链；232、第三通孔；27、泡沫塑料；30、吊车；31、气囊舱；32、降落伞舱；34、工作载荷；40、吊装工装；60、底座；61、工作平台；618、第一通孔；619、发放通道；62、外壳驱动装置；631、第一推杆；632、第二推杆；64、气囊系留绞盘；641、气囊系留索；65、载荷系留绞盘；651、载荷系留索；66、旋转底盘；67、登高梯；68、控制器；69、挂锁；691、锁杆；692、安全销。
具体实施方式
26.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
27.如图1和图4所示，本实施例的临近空间气球发放装置包括底座60及安装在所述底座60上的临近空间气球系统10，所述临近空间气球系统10包括储运筒20及设置在所述储运筒20内的临近空间气球，所述储运筒20的筒体22由至少两个边缘相互对接的外壳组成，所述外壳之间通过多组分离装置223连接。所述分离装置223可以为爆炸螺栓、电点火切割器、导爆索等可实现快速分离的器件。
28.如图1和图4所示，所述临近空间气球包括气囊12、降落伞14、工作载荷34，所述气囊12设置在临近空间气球的上部，所述工作载荷34设置在临近空间气球的下部，所述气囊12与工作载荷34之间连接有降落伞14。所述储运筒20为一密封薄壁筒体结构，采用高强轻质复合材料或合金材料制造成型，所述储运筒20包括顶罩21、筒体22和底盖23，所述顶罩21与筒体22可拆卸连接，所述底盖23与筒体22可拆卸连接。其中，筒体22是储运筒主体部分，用于气囊12及降落伞14的安装、存放。顶罩21是储运筒20的顶端密封部件，主要用于容纳气球系统阀门组件11及折叠后的气囊充气管121的安装、存放。所述顶罩21设置成下端开口的半封闭式圆筒或圆锥型，并且在顶罩21内还设置有阀门组件11支撑用限位工装15。底盖23是储运筒20的底端密封部件。如图1和图14所示，所述底盖23安装于筒体22底部，由两块刚性板材通过可脱离式铰链231连接构成，用于密封储运筒底部开口。通过手动方式可解除铰链连接，达到使底盖23一分为二的使用目的。所述底盖23中心处设有第三通孔232，降落伞的伞带可从所述第三通孔232中穿过。
29.具体地，如图1和图5所示，所述降落伞14折叠后可以伞包的形式安装固定在储运筒20内。所述气囊12为一个采用超薄柔性复合材料制成封闭囊体，其上设置有一根或两根较长的充气管121，气囊12及其充气管121以“s”形或“之”形等有利于后续可快速充气自行展开的方式被折叠成长方体型或其他多边体结构，并且折叠后的充气管121设置在气囊12顶部，折叠后的气囊12最大外形尺寸与储运筒20内腔尺寸匹配，使储运筒20能够容纳气囊12。为了便于定位、安装折叠后的气囊12及降落伞14，在所述筒体22从上至下分区设置气囊舱31和降落伞舱32两个相连舱段，两个舱段光滑过渡。在所述筒体22及顶罩21内表面贴附表面光滑的泡沫塑料27，该泡沫塑料27采用多块拼接或整体注塑成型，获得与储运筒相近的外部形状尺寸，材料厚度一般在10mm~50mm，最好为40mm。如图10所示，所述储运筒20由外侧筒体22及内侧泡沫塑料27构成环形截面形状之外，如图11和12所示还可以设置为：“外矩形+内圆形”、“外正多边形+内圆形”的组合样式，以提高临近空间气球系统在储运过程中的
稳定性和空间利用率。
30.如图5和图6所示，完成折叠后的气囊12上部合适位置处安装有一个气囊约束器122，所述气囊约束器122主体为柔性材料，采用绳索紧包裹的方式与气囊12连接固定，并且气囊约束器122上固定有一根系留索，所述气囊12折叠后，所述气囊约束器122一同被叠入，与其相连的系留索留在气囊12外。如图1和图13所示，所述筒体22顶部还设置有一个槽口221，槽口内侧安装有一套系留索保护器222，所述系留索保护器222采用井字轮结构形式，所述井字轮结构的中心处为第二通孔224，系留索可以从第二通孔224中穿过，避免系留索磨损或卡滞。所述气囊约束器122在气囊12上的安装位置是提前通过计算气囊地面充气量来确定的。
31.如图2和图4所示。所述底座60包括工作平台61，所述临近空间气球系统10安装在工作平台61上。所述工作平台61的上端面设有多组与所述外壳配合的外壳驱动装置62，作为本发明的第一实施例，所述外壳驱动装置62为设置在所述工作平台61上端面的两组推杆组件，所述推杆组件对称布置，且两组所述推杆组件的运动方向相对于所述发放通道619的方向垂直，以确保外壳打开后气球能够顺利从第一通孔618进入发放通道619。每一组所述推杆组件包括第一推杆631和第二推杆632，所述第一推杆631和第二推杆632均与一个外壳连接。所述筒体22的下部外表面设置有与所述第一推杆631和第二推杆632配合的两组铰接接口17。所述第一推杆631和第二推杆632两两交叉成对组合，并且推杆可伸缩杆的末端设置有铰接接口。
32.作为本发明的第二实施例，所述外壳驱动装置62还可以为设置在所述工作平台61上端面的多组滑轨组件，所述组滑轨组件包括安装在所述外壳底部的滑轮和设置在所述工作平台61上的滑轨。
33.如图2和图7所示，所述工作平台61上设有多根与所述临近空间气球配合的系留索，所述系留索分为气囊系留索641和载荷系留索651，所述气囊系留索641和载荷系留索651分别由设置在所述工作平台61的上端面的气囊系留绞盘64和载荷系留绞盘65控制。
34.如图2和图4所示，所述工作平台61上设有第一通孔618，所述第一通孔618位于所述筒体22的下方，所述第一通孔618的下方设有临近空间气球工作载荷的放置空间，所述第一通孔618处设有载荷悬挂装置69，所述工作平台61的一侧设有开放式发放通道619，所述发放通道619与第一通孔618连通。具体地，如图2和图15所示，所述载荷悬挂装置69为挂锁，所述挂锁包括一个伸入发放通道619内的锁杆691及安装在所述锁杆691上的安全销692，所述临近空间气球的工作载荷34挂置于所述锁杆691上。所述发放通道619为宽度由其一端到所述工作平台61一侧逐渐增大的喇叭形缺口。
35.如图2、图4和图5所示，所述工作平台61的上端面还设有控制器68，所述底座60的底部设有旋转底盘66， 所述旋转底盘66能够快速实现其位置和方向的调整。所述发放装置60一侧还设置有一个可从地面到达工作平台61的登高梯67。所述气囊系留绞盘64和载荷系留绞盘65与发放通道619平行的方向上。其中，气囊系留绞盘64安装在发放通道619后方，载荷系留绞盘65安装在发放通道619旁侧。优选的，载荷系留绞盘65可安装在工作平台61下方的发放通道619侧，以提升对工作载荷34的系留效果。具体地，所述外壳驱动装置62、气囊系留绞盘64、载荷系留绞盘65、旋转底盘66均与所述控制器68电连接。
36.所述控制器68是整个发放装置的控制中心和枢纽，远程测控计算机通过无线或有
线方式与控制器68连接，通过控制器68控制各作动机构的动作。在远程测控计算机的指令下，通过控制器68可以控制所述外壳驱动装置62同步动作，并且可控制气囊系留绞盘64、载荷系留绞盘65的转动，分别实现气囊系留索641、载荷系留索651的收放或长度调节，还可以驱动可转向底盘66工作，实现对发放装置60方向和位置的快速调整。并且，所述底座60，通过登高梯67，操作人员可以安全、快速达到工作平台61上，便于实现气球系统发放前的安装操作。
37.如图16所示，一种使用如上所述的临近空间气球发放装置进行临近空间气球发放的方法如下：开展并完成临近空间气球系统的发放状态检查，并同步完成底座60的总装与测试。
38.其中，临近空间气球系统的状态检查主要包括对储运筒外观及储运筒顶罩内阀门组件及气囊状态的检查，其检查内容包括：一、巡检储运筒外观，确认外观无损伤或较大变形。
39.二、从储运筒顶部拆下顶罩，检查阀门组件与气囊状态正常，通电测试阀门组件工作正常。
40.三、将气囊上的气囊约束器绳索末端穿过储运筒内壁上系留索保护器及槽缺，固定于储运筒外、底部。
41.四、整理折叠状态的气囊充气管，确保其位置正确，无散乱、缠绕问题。
42.五、检查储运筒内无多余物后，将顶罩安装到储运筒顶部。
43.如图3和图4所示，借助于吊车30和吊装工装40，将所述临近空间气球系统10竖直起吊，并移动到工作平台61的上方，在操作人员的协助下，完成所述临近空间气球系统10与工作平台61的对接。
44.其中，气球系统与发放装置的对接操作内容，主要包括：一、将气球系统的储运筒底部移动至发放装置工作平台中心,并调整方向，使储运筒下部外表面上的两组铰接接口17与发放装置的两组推杆组件对应。通过铰接方式连接储运筒与推杆组件，可实现储运筒在发放装置工作平台上稳固支撑。
45.二、撤出吊装工装40及吊车30。
46.根据风速和风向控制旋转底盘66，使所述发放通道619的开口方向与风向保持一致，并且，可根据需求将安装有气球系统的发放装置转移到风速较小区域。
47.其中，发放装置转移，可通过人工推动方式实现，也可以在远程测控计算机的指令下，通过可转向底盘电驱动方式进行移动。
48.如图4所示，将工作载荷34挂置于挂锁上，所述降落伞14的伞带穿过第一通孔618与工作载荷34连接。对气球系统、发放装置等进行全系统检测，确保地面测控计算机与气球系统、发放装置间的通信、控制功能正常。
49.其中，所述的工作载荷是通过绳带、金属挂钩等常规方式与降落伞的伞带连接，工作载荷的绳带长度应与发放装置工作平台高度相适应，确保挂置在挂锁上的工作载荷不会与地面及可转向底盘干涉或碰撞。
50.如图5所示，移除气球系统储运筒顶罩21，将充气管121与浮升气体气源连接，将气囊系留绞盘64的气囊系留索641与设置在所述气囊12上的气囊约束器122连接，将载荷系留
绞盘65的载荷系留索651与工作载荷34连接。
51.其中，储运筒筒体与顶罩的分离可采用电动方式或火工品爆炸方式，以提高顶罩从储运筒顶部脱离速度和安全性。
52.如图5至图7所示，通过充气管121向气囊12内充入浮升气体，直到上浮的气囊12将其连接的降落伞14拉直。通过控制载荷系留绞盘65收、放载荷系留索651，调整气囊高度，以加快充气速度，降低气囊迎风阻力。
53.如图1、图4和图7所示，通过远程测控计算机下发指令，启动分离装置223，使所述外壳被快速分成两个部分，所述外壳驱动装置62动作，驱动所述外壳先背向移动一段距离，再控制外壳的上部张开，使之呈倒“八”字形，待气囊12及降落伞14全部从储运筒20内露出后，通过控制气囊系留索641长度及载荷系留索651长度，完成浮力转移。
54.其中，浮力转移过程包括如下步骤：一、控制气囊系留绞盘释放气囊系留索，气囊高度上升，气囊浮力通过降落伞传递到工作载荷上，并主要由发放装置的挂锁承担后，停止气囊系留绞盘动作。
55.二、控制载荷系留绞盘适当回收载荷系留索，载荷系留索长度变短，使得工作载荷高度略有降低后，停止载荷系留绞盘动作，拔出挂锁上的安全销。
56.三、控制载荷系留绞盘释放载荷系留索，载荷系留索长度变长，从挂锁的锁杆上撤出工作载荷，气囊浮力主要从载荷系留绞盘转移到气囊系留绞盘上。
57.四、控制载荷系留绞盘继续释放载荷系留索，将工作载荷从发放装置工作平台下安全转移出来，停止载荷系留绞盘动作。
58.如图8所示，通过绳索切割工具快速切断与载荷系留绞盘相连的载荷系留索651，工作载荷34被释放。如图9所示，通过远程测控计算机下发指令，控制气囊约束器122松开束缚，与气囊12分离。脱离束缚的临近空间气球携带工作载荷缓慢升空，完成临近空间气球发放。
59.其中，绳索切割工具为本技术领域内通用切割工具，包括熔断切割、火工品切割方式。气囊约束器为本技术领域内通用临近空间气球约束释放工具，可通过远程无线通信控制其释放动作。
60.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。