本發(fā)明主要涉及到飛行器技術(shù)領(lǐng)域，特指一種平流層飛艇長時間工作的壓力調(diào)控方法及其調(diào)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

平流層飛艇是一種輕于空氣的可控飛行器，主要依靠囊體結(jié)構(gòu)內(nèi)輕于空氣的浮升氣體產(chǎn)生浮力實現(xiàn)升重平衡，主要依靠太陽電池與儲能電池構(gòu)成閉環(huán)能源系統(tǒng)實現(xiàn)長時穩(wěn)定飛行，該類飛行器工作在距地面20千米附近的平流層高度區(qū)域，利用這個區(qū)域穩(wěn)定的大氣環(huán)境，利用這個區(qū)域存在較低速度風(fēng)場的特征，通過較少推進能源抗風(fēng)，結(jié)合閉環(huán)能源系統(tǒng)，可實現(xiàn)年量級的一個地區(qū)上空的駐空飛行能力。

平流層飛艇具有駐空時間長、可在一定范圍機動、不受復(fù)雜氣象環(huán)境影響、效費比高等優(yōu)勢，可能攜帶多種不同任務(wù)載荷，完成對大范圍、長時間對地觀測、通信、導(dǎo)航等應(yīng)用任務(wù)。與傳統(tǒng)飛機和衛(wèi)星相比，平流層飛艇在“空域”和“時域”上具有無可替代的優(yōu)勢，在軍民領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

一般平流層飛艇由于體積巨大，從結(jié)構(gòu)重量和安全性等方面綜合考慮常采用軟式充氣結(jié)構(gòu)，通過主囊體充填一定浮升氣體，在獲得足夠浮力的同時，靠內(nèi)外壓差來保持低阻的氣動和可操縱的設(shè)計外形。由于平流層飛艇的長期駐空能力是其區(qū)別與其他飛行器的核心特征，也被稱為平流層衛(wèi)星。

但在平流層飛艇長期駐空期間，白天太陽輻照導(dǎo)致囊體和內(nèi)部浮升氣體溫度不斷上升，會致使平流層飛艇囊體內(nèi)氣壓較大幅度增加，由于飛艇充氣結(jié)構(gòu)尺寸巨大，蒙皮材料抗壓能力一定條件下，超大尺寸會帶來主囊體抗壓能力降低，這給蒙皮材料提出了非常苛刻的要求；夜晚囊體表面溫度降低，會導(dǎo)致平流層飛艇囊體內(nèi)壓力較大幅度降低，不但飛艇外形難以保證，而且會造成浮力損失，引起飛艇下降；若按照夜晚設(shè)置超壓保形狀態(tài)，白天溫度高時壓力會有大幅增加，高承壓狀態(tài)下充氣結(jié)構(gòu)安全性問題突出；另外一方面在大壓差條件下，浮升氣體滲漏損失較大，浮力經(jīng)過晝夜循環(huán)損失大，無法長期運行。

現(xiàn)在晝夜溫度差異造成的主囊體壓力波動，仍是平流層飛艇實用化的絆腳石，目前壓力調(diào)控方法多采用在壓力高時釋放浮升氣體，夜晚拋沙減小系統(tǒng)重量的方法條件，這會造成系統(tǒng)運行狀態(tài)的不可逆，平流層飛艇無法實現(xiàn)其長期運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可長期重復(fù)使用、功耗較小、環(huán)境適應(yīng)性好的平流層飛艇壓力調(diào)控方法及其調(diào)控系統(tǒng)。其可以解決當(dāng)前平流層飛艇長期運行過程中晝夜狀態(tài)變化導(dǎo)致的不可逆的壓力調(diào)控方式，促進平流層飛艇盡快進入實用化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種平流層飛艇壓力調(diào)控方法，在平流層飛艇的主囊體內(nèi)部設(shè)置有壓力調(diào)控囊體，主囊體內(nèi)因晝夜運行過程中溫度變化而導(dǎo)致主囊體內(nèi)浮升氣體壓力升高或降低，通過將主囊體內(nèi)的部分浮升氣體壓入或放出壓力調(diào)控囊體實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，使主囊體壓力保持穩(wěn)定。

進一步地，通過在主囊體上設(shè)置壓力傳感器實時檢測主囊體內(nèi)部或其內(nèi)外壓力變化。

進一步地，當(dāng)主囊體壓力升高時，將主囊體中部分浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體；當(dāng)主囊體壓力降低時，將壓力調(diào)控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，使主囊體壓力保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓力波動小。由于主囊體內(nèi)/外壓較小且穩(wěn)定，柔性蒙皮構(gòu)成的主囊體結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化設(shè)計，且對制作主囊體的蒙皮材料的強度要求降低，這樣不但可使平流層飛艇性能大幅提升，同時可以解決常規(guī)飛艇方案晝夜壓差波動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全難題。另外，由于主囊體內(nèi)外壓差較小，浮升氣體在較小壓差下通過蒙皮滲漏損失較小，降低了長時間持久運行補充的難度，可解決平流層飛艇長期運行中浮力損失導(dǎo)致的高度保持難題。

一種平流層飛艇壓力調(diào)控系統(tǒng)，包括平流層飛艇的主囊體，其特征在于，在主囊體內(nèi)部腔體內(nèi)設(shè)置有壓力調(diào)控囊體、與壓力調(diào)節(jié)囊體連接的一個以上的閥門以及與壓力調(diào)節(jié)囊體連接的一個以上的風(fēng)機，所述閥門的一端均通過管路與壓力調(diào)節(jié)囊體的內(nèi)部空腔聯(lián)通，閥門的出口聯(lián)通主囊體內(nèi)部腔體，閥門實現(xiàn)將壓力調(diào)控囊體內(nèi)的氣體放出到主囊體內(nèi)；所述風(fēng)機的出風(fēng)口均通過管路與壓力調(diào)節(jié)囊體的內(nèi)部空腔聯(lián)通，風(fēng)機實現(xiàn)將主囊體內(nèi)的氣體吸入壓力調(diào)節(jié)囊體內(nèi)。當(dāng)主囊體壓力高時，通過位于主氣囊內(nèi)但連接在壓力調(diào)控囊體上的風(fēng)機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體內(nèi)，降低主氣囊壓力。當(dāng)主囊體壓力低時，通過位于主氣囊內(nèi)但連接在壓力調(diào)控囊體上的閥門，將壓力調(diào)控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，從而克服平流層飛艇晝夜工作溫度變化引起主囊體壓力波動，實現(xiàn)平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓差小，工作穩(wěn)定，且浮升氣體質(zhì)量在較小壓差下?lián)p失微弱，可解決平流層飛艇經(jīng)歷多次晝夜長期運行過程中，壓力波動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全和浮升氣體損失導(dǎo)致的高度保持難題。

進一步地，在主囊體上設(shè)置有一個以上的用于測量主囊體內(nèi)外壓力變化的壓力傳感器。

進一步地，還包括壓力調(diào)節(jié)控制器，所述壓力傳感器、閥門以及風(fēng)機均與壓力調(diào)節(jié)控制器連接。壓力傳感器實時檢測主囊體內(nèi)外壓力變化信號，并將該信號發(fā)送給壓力調(diào)節(jié)控制器，壓力調(diào)節(jié)控制器根據(jù)壓力傳感器測量到的數(shù)據(jù)對閥門或風(fēng)機進行控制；

當(dāng)主囊體壓力高時，開啟風(fēng)機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體，降低主氣囊壓力；當(dāng)主囊體壓力低時，開啟閥門，將壓力調(diào)控囊體中的部分浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力。

進一步地，可以在主囊體內(nèi)部腔體內(nèi)設(shè)置多個壓力調(diào)控囊體。每個壓力調(diào)控囊體上均連接有一個以上的閥門以及一個以上的風(fēng)機。同樣的所述閥門的一端均通過管路與對應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)囊體的內(nèi)部空腔聯(lián)通，閥門的出口聯(lián)通主囊體內(nèi)部腔體，閥門實現(xiàn)將壓力調(diào)控囊體內(nèi)的氣體放出到主囊體內(nèi)；所述風(fēng)機的出風(fēng)口均通過管路與對應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)囊體的內(nèi)部空腔聯(lián)通，風(fēng)機實現(xiàn)將主囊體內(nèi)的氣體吸入壓力調(diào)節(jié)囊體內(nèi)。壓力調(diào)節(jié)控制器實現(xiàn)對各個壓力調(diào)控囊體上的閥門以及風(fēng)機的控制。

進一步地，所述主囊體一般采用氣動外形和容積率耦合優(yōu)化的旋成體外形，采用輕質(zhì)蒙皮材料構(gòu)造，通過充填浮升氣體實現(xiàn)浮力與重量平衡，通過較小壓差實現(xiàn)柔性充氣式的低阻氣動外形。由于存在由壓力調(diào)控囊體、閥門、風(fēng)機、壓力傳感器以及壓力調(diào)節(jié)控制器等構(gòu)成的壓力調(diào)控裝置，主囊體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外壓差可以優(yōu)化設(shè)計，壓差較小，且穩(wěn)定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)。本發(fā)明的主囊體對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結(jié)構(gòu)質(zhì)量大大降低，系統(tǒng)綜合性能提升，且結(jié)構(gòu)安全性大大增強。

進一步地，所述壓力調(diào)控囊體一般設(shè)計為具有較優(yōu)承壓性能的球形或柱形。壓力調(diào)節(jié)囊體采用高強囊體材料制成，其通過懸線或其他柔性結(jié)構(gòu)連接主囊體使其定位在主囊體內(nèi)部。壓力調(diào)控囊體加工制造工藝簡單，主要用于調(diào)節(jié)主囊體的壓力變化；由于位于主囊體內(nèi)，所以不用考慮氣動外形和與外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)計外形和材料利用可優(yōu)化，還可分散主囊體上集中力，提供飛艇整體結(jié)構(gòu)剛度和可靠性，但不用對浮升氣體滲漏指標提過高要求，浮升氣體滲漏后直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供的一種平流層飛艇壓力調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)創(chuàng)新地在主囊體中設(shè)置壓力調(diào)控囊體，用于將主囊體內(nèi)因溫度變化而升高或降低的壓力，通過將部分浮升氣體壓入或放出壓力調(diào)控囊體來進行調(diào)節(jié)。并通過設(shè)置壓力傳感器感知主囊體內(nèi)部或內(nèi)外壓力變化，通過壓力調(diào)節(jié)控制器操縱風(fēng)機和閥門實現(xiàn)穩(wěn)定壓力調(diào)控，當(dāng)主囊體壓力升高時，通過風(fēng)機將主囊體中的部分浮升氣體壓入調(diào)控囊體；當(dāng)主囊體壓力降低時，通過閥門將壓力高的部分浮升氣體放出到主氣囊，從而實現(xiàn)平流層飛艇長時間工作主囊體壓力波動小。

由于主囊體內(nèi)/外壓較小且穩(wěn)定，柔性蒙皮構(gòu)成的主囊體結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化，對蒙皮材料的強度要求降低，不但可使平流層飛艇性能大幅提升，同時可以解決常規(guī)飛艇方案晝夜壓差波動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全難題；另外，由于主囊體內(nèi)外壓差較小，浮升氣體在較小壓差下通過蒙皮滲漏損失微弱，降低了長時間持久運行補充的難度，可解決平流層飛艇長期運行中浮力損失導(dǎo)致的高度保持難題。

主囊體可采用輕質(zhì)蒙皮材料構(gòu)造，通過充填浮升氣體實現(xiàn)浮力與重量平衡，通過較小壓差實現(xiàn)柔性充氣式的低阻氣動外形。由于存在由壓力調(diào)控囊體、閥門、風(fēng)機、壓力傳感器以及壓力調(diào)節(jié)控制器等構(gòu)成的壓力調(diào)控裝置，主囊體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外壓差可以優(yōu)化設(shè)計，壓差較小，且穩(wěn)定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)，對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，結(jié)構(gòu)質(zhì)量大大降低，系統(tǒng)綜合性能提升，且結(jié)構(gòu)安全性大大增強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提供一種平流層飛艇壓力調(diào)控方法，在平流層飛艇的主囊體1的內(nèi)部腔體內(nèi)設(shè)置有壓力調(diào)控囊體2，主囊體內(nèi)因晝夜運行過程中溫度變化而導(dǎo)致主囊體內(nèi)浮升氣體壓力升高或降低，通過在主囊體1上設(shè)置壓力傳感器5實時檢測主囊體1內(nèi)部或其內(nèi)外壓力變化，主囊體1內(nèi)升高或降低的壓力通過將主囊體1內(nèi)的部分浮升氣體壓入或放出壓力調(diào)控囊體2實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，使主囊體壓力保持穩(wěn)定。

當(dāng)主囊體壓力升高時，將主囊體中部分浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體；當(dāng)主囊體壓力降低時，將壓力調(diào)控囊體中的部分高壓浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，使主囊體壓力保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)平流層飛艇長時間工作過程中主囊體壓力波動小。

如圖1所示，本發(fā)明一種平流層飛艇壓力調(diào)控系統(tǒng)，包括平流層飛艇的主囊體1和壓力調(diào)節(jié)控制器6。在主囊體1上設(shè)置有一個以上的用于測量主囊體內(nèi)外壓力變化的壓力傳感器5。在主囊體1內(nèi)部腔體內(nèi)設(shè)置有壓力調(diào)控囊體2、與壓力調(diào)節(jié)囊體2連接的一個以上的閥門3以及與壓力調(diào)節(jié)囊體2連接的一個以上的風(fēng)機4，所述閥門3的一端均通過管路與壓力調(diào)節(jié)囊體2的內(nèi)部空腔聯(lián)通，閥門3的出口聯(lián)通主囊體1內(nèi)部腔體，閥門3實現(xiàn)將壓力調(diào)控囊體2內(nèi)的氣體放出到主囊體1內(nèi)；所述風(fēng)機4的出風(fēng)口均通過管路與壓力調(diào)節(jié)囊體2的內(nèi)部空腔聯(lián)通，風(fēng)機4實現(xiàn)將主囊體1內(nèi)的氣體吸入壓力調(diào)節(jié)囊體2內(nèi)。所述壓力傳感器5、閥門3以及風(fēng)機4均與壓力調(diào)節(jié)控制器6連接。壓力傳感器5實時檢測主囊體1內(nèi)外壓力變化信號，并將該信號發(fā)送給壓力調(diào)節(jié)控制器6，壓力調(diào)節(jié)控制器6根據(jù)壓力傳感器測量到的數(shù)據(jù)對閥門或風(fēng)機進行控制：當(dāng)主囊體壓力高時，開啟風(fēng)機，將主氣囊中的部分浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體，降低主氣囊壓力；當(dāng)主囊體壓力低時，開啟閥門，將壓力調(diào)控囊體中的部分浮升氣體放出到主氣囊，提升主氣囊壓力，從而實現(xiàn)平流層飛艇長時間工作主囊體壓力壓力調(diào)控。

進一步地，本發(fā)明可以在主囊體1內(nèi)部腔體內(nèi)設(shè)置多個壓力調(diào)控囊體2。每個壓力調(diào)控囊體2上均連接有一個以上的閥門3以及一個以上的風(fēng)機4。同樣的所述閥門3的一端均通過管路與各自對應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)囊體2的內(nèi)部空腔聯(lián)通，閥門3的出口聯(lián)通主囊體1內(nèi)部腔體，閥門實現(xiàn)將壓力調(diào)控囊體內(nèi)的氣體放出到主囊體內(nèi)。所述風(fēng)機4的出風(fēng)口均通過管路與各自對應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)囊體2的內(nèi)部空腔聯(lián)通，風(fēng)機實現(xiàn)將主囊體內(nèi)的氣體吸入壓力調(diào)節(jié)囊體內(nèi)。壓力調(diào)節(jié)控制器實現(xiàn)對各個壓力調(diào)控囊體上的閥門以及風(fēng)機的控制。

所述主囊體1一般采用氣動外形和容積率耦合優(yōu)化的旋成體外形，采用輕質(zhì)蒙皮材料構(gòu)造，通過充填浮升氣體實現(xiàn)浮力與重量平衡，通過較小壓差實現(xiàn)柔性充氣式的低阻氣動外形。由于存在由壓力調(diào)控囊體、閥門、風(fēng)機、壓力傳感器以及壓力調(diào)節(jié)控制器等構(gòu)成的壓力調(diào)控裝置，主囊體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外壓差可以優(yōu)化設(shè)計，壓差較小，且穩(wěn)定，浮升氣體滲漏少(氦氣、氫氣)。本發(fā)明的主囊體對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結(jié)構(gòu)質(zhì)量大大降低，系統(tǒng)綜合性能提升，且結(jié)構(gòu)安全性大大增強。

所述壓力調(diào)控囊體2一般設(shè)計為具有較優(yōu)承壓性能的球形或柱形。壓力調(diào)節(jié)囊體采用高強囊體材料制成，其通過懸線7或其他柔性結(jié)構(gòu)連接主囊體使其定位在主囊體內(nèi)部。壓力調(diào)控囊體加工制造工藝簡單，主要用于調(diào)節(jié)主囊體的壓力變化；由于位于主囊體內(nèi)，所以不用考慮氣動外形和與外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)計外形和材料利用可優(yōu)化，還可分散主囊體上集中力，提供飛艇整體結(jié)構(gòu)剛度和可靠性，但不用對浮升氣體滲漏指標提過高要求，浮升氣體滲漏后直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。

通常壓力調(diào)控囊體2的體積大小由晝夜壓力波動范圍確定，受蒙皮材料本身輻照和飛艇工作特性影響，如晝夜溫差達50k左右的平流層飛艇，壓力調(diào)控囊體2的體積約為飛艇總體積的1/4以上。考慮到現(xiàn)有蒙皮材料性能和不同形狀材料力學(xué)性能利用率等特點，較大尺寸的氣囊可以采用多個優(yōu)化子氣囊的組合。由于壓力調(diào)控囊體位于主囊體內(nèi)，所以不用考慮氣動外形和與外界吊艙等承力結(jié)構(gòu)連接，設(shè)計外形和蒙皮材料利用可優(yōu)化，如柱狀氣囊材料考慮經(jīng)向和緯向差異設(shè)計。壓力調(diào)控囊體2的蒙皮材料選擇重點是高比強度，用于承受大的壓強，由于在主氣囊內(nèi)，調(diào)節(jié)氣囊不用過高要求浮升氣體滲漏指標、抗外界環(huán)境指標，蒙皮材料設(shè)計因素較為單一，指標比現(xiàn)有綜合指標要求可大幅提升，浮升氣體滲漏后直接進入主氣囊，不會造成浮力損失。

如圖1所示的風(fēng)機4，可以采用多個風(fēng)機組合工作模式，以增加系統(tǒng)性能和可靠性；風(fēng)機采用電驅(qū)動模式，風(fēng)機安裝在壓力調(diào)節(jié)囊體上，進風(fēng)口與主囊體內(nèi)部腔體相連，出風(fēng)口與壓力調(diào)控囊體聯(lián)通。風(fēng)機由壓力調(diào)節(jié)控制器控制，風(fēng)機通過壓力調(diào)節(jié)控制器進行開關(guān)控制和壓力調(diào)節(jié)控制，用于將主囊體內(nèi)的部分浮升氣體提升壓力后，壓力提升能力要求較高，一般應(yīng)可以達到5KPa以上，輸送主氣囊中部分浮升氣體進入壓力調(diào)控囊體，調(diào)節(jié)因浮升氣體溫度升高導(dǎo)致的主囊體壓力升高。

如圖1所示的閥門3，可以采用多個閥門組合工作模式，以增加系統(tǒng)性能和可靠性；閥門采用電磁控制，安裝在壓力調(diào)控囊體上，并與主囊體相連。閥門由壓力調(diào)節(jié)控制器控制，用于將壓力調(diào)控囊體中高于主囊體的部分浮升氣體放出，輸送進入主囊體，補充因為浮升氣體溫度降低導(dǎo)致的主囊體壓力降低，閥門應(yīng)滿足在內(nèi)外5KPa以上環(huán)境下的可靠工作。

如圖1所示的壓力傳感器5，其包含一組內(nèi)部和外部壓力傳感器，安裝在主囊體上1，且與壓力調(diào)節(jié)控制器6連接上。壓力傳感器用于感受主囊體內(nèi)壓力絕對值，或主囊體與外界環(huán)境的壓力差，并將多組測量信息發(fā)送給壓力調(diào)節(jié)控制器，考慮到外界環(huán)境壓力特征，壓力傳感器應(yīng)在4.5KPa—6KPa范圍內(nèi)工作，且精度至少高于5Pa。

如圖1所示的壓力調(diào)節(jié)控制器，其依據(jù)壓力傳感器測量數(shù)據(jù)，當(dāng)主囊體壓力高時，通過風(fēng)機將浮升氣體壓入壓力調(diào)控囊體，減小和穩(wěn)定主氣囊壓力值，且該類情況主要出現(xiàn)在能源較為充足的白天，風(fēng)機工作有可靠能源保障，壓入過程較為可靠；當(dāng)主囊體壓力低時，通過閥門將壓力調(diào)控囊體中壓力較高的浮升氣體放出到主氣囊，保障主囊體不會因為溫度較低導(dǎo)致壓力降低，該類情況主要出現(xiàn)在夜晚，放氣過程由浮升氣體的壓力勢能保障，不需要加入過多能量，排氣過程較為可靠。

以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，這是為了詳細說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并不是想要將發(fā)明內(nèi)容限制在實施例所描述的具體形式中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容主旨進行的其他修改和變型也受本專利保護。本發(fā)明內(nèi)容的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。