本發(fā)明涉及系留氣球領(lǐng)域，尤其涉及一種小型系留氣球系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

利用空中平臺攜帶載荷進行觀測、通訊、航拍等任務(wù)長期以來得到了廣泛的應(yīng)用，空中平臺提供了一個地面平臺不具備的觀察視角和覆蓋能力，而且具有更好的生存能力和通訊能力。其可搭載的平臺包括系留氣球、無人機、飛艇等，不同平臺各有利弊，分別應(yīng)用于相適合的場合。無人機續(xù)航時間短、載荷小、安全性差，適用于短時航拍；飛艇機動性好、飛行穩(wěn)定，可用于短時的航拍、觀測等；系留氣球雖然固定于一定區(qū)域內(nèi)不能隨意移動，但可長時間系留于空中，適合于長時持續(xù)的空中觀測、通訊中繼等。

系留氣球有比較長的歷史，發(fā)展至今已經(jīng)形成了比較成熟的設(shè)計。系留氣球分大中型和小型系統(tǒng)，分別適用于不同場合，大中型系統(tǒng)載荷大、升空高度高，但系統(tǒng)復(fù)雜、占地大、所需操作人員多；小型甚至超小型系留氣球系統(tǒng)雖然載荷小但所需操作人員少，操作簡單。通常系留氣球的組成主要包括：球體、系纜、錨泊裝置三大部分。

通常球體包括流線型球體氣囊加尾翼，以及其上的拉袢、索具、充氣閥門、排氣閥門等裝置，較大的系留氣球還具有獨立控制的副氣囊。現(xiàn)有系留氣球球型一般為流線型，專門針對系留工況，因此具有較大的圓頭和逐漸收細的尾部，不同于飛艇的前后都較細的細長流線型。球體氣囊和尾翼的材料一般是一致的，對于中大型系留氣球，球體材料一般為高強度的纖維復(fù)合材料，小型系留氣球有的也使用高分子類薄膜材料以降低重量。

系纜包括纜繩、連接裝置等，纜繩可以是高強度拉繩，也可以是加入供電或信號的復(fù)合纜繩，連接裝置可以是普通滑環(huán)或光電復(fù)合滑環(huán)。

錨泊裝置的主要組成部分是系纜絞盤及收放系統(tǒng)，用于使系留氣球球體升空和回收。另外還包括球體錨泊固定裝置、供配電裝置、控制裝置等。中大型系留氣球的錨泊裝置一般具有一個可立起和放倒的錨泊塔，用于在錨泊時約束球體頭錐。錨泊塔和整套錨泊系統(tǒng)可以沿底座自由回轉(zhuǎn)，從而在錨泊時使球體隨風(fēng)向調(diào)整至球體正對來風(fēng)方向，此時球體受到的風(fēng)阻最小，系統(tǒng)受力情況最好，可以防止球體錨泊時被風(fēng)損壞。錨泊裝置根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和使用場合不同，還可以大致分為移動式和固定式兩類。移動式錨泊裝置一般是安裝于機動車輛或托掛車上面，可以收疊和展開，收疊狀態(tài)下可以隨車輛移動，需要錨泊或系留時則展開使用；固定式錨泊裝置一般只包括絞盤和收放系統(tǒng)以及球體錨泊固定系統(tǒng)等主要裝置，安放于一個地點后一般不能隨意移動。

目前現(xiàn)有的系留氣球雖然技術(shù)比較成熟，但隨著時代的發(fā)展，人們對系留氣球的要求也在變化。比如有的場合普通車輛無法到達，只能單人進入，這就要求空中觀測和通訊系統(tǒng)做到超小型而且靈活機動。傳統(tǒng)的系留氣球一般球體尺寸都比較大，目前可帶載工作的系留氣球最小尺寸一般也在10米以上，而且需要中型卡車級別的地面錨泊設(shè)施，系留氣球收放等操作的人員也至少需要4～6人以上，大型氣球甚至需要數(shù)十人操作，升空和回收耗時也比較長，因此傳統(tǒng)的系留氣球適合開闊區(qū)域長期空中監(jiān)控，而不適合特殊地形或城市。民用上，大型活動的增多、突發(fā)事件的增加都需要及時應(yīng)對，對短時空中監(jiān)控平臺的需求增加，即要求系留氣球占地小，并能快速展開、快速升空、快速回收。

要滿足上述應(yīng)用需求，首先要將系留氣球的系統(tǒng)規(guī)模、操作難度、人員需求降到最低，而且要求輕便機動，而對載荷的精度、探測質(zhì)量的要求并不是第一位的。因此可以在保留最基本載荷功能的基礎(chǔ)上將整個系統(tǒng)精簡并小型化，保留最基本的系統(tǒng)組成和功能。

本發(fā)明在本著系統(tǒng)最簡的原則下，將系留氣球系統(tǒng)精簡至最小化，設(shè)計了一種小型、快捷、安全、易用的系留氣球，可快速展開快速回收，適合單人或雙人操作和攜帶，既適用于車輛無法到達的地區(qū)，也適用于大型活動、突發(fā)事件的短時、快速空中監(jiān)控和管理指揮等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提出一種系留氣球，用于解決現(xiàn)有系留氣球占地空間大、升空和收回耗時長、操作難、耗費人力物力大的問題。用于解除常規(guī)系留氣球無法小型化、迅捷化、城市化應(yīng)用的局限。

(二)技術(shù)方案

基于以上問題，本發(fā)明提出一種系留氣球，包括球體系統(tǒng)和絞盤系統(tǒng)，其中：

球體系統(tǒng)包括球體，其為扁圓形回轉(zhuǎn)球體；

絞盤系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)，其用于提供絞盤系統(tǒng)的動力以使絞盤系統(tǒng)能夠收放所述球體系統(tǒng)。

上述扁圓形回轉(zhuǎn)球體的高寬比為0.5-0.9，且扁圓形回轉(zhuǎn)球體的分膜數(shù)不小于12。

上述球體系統(tǒng)還包括穩(wěn)定風(fēng)帆，穩(wěn)定風(fēng)帆位于上述扁圓形回轉(zhuǎn)球體的后下方，用于使系留氣球在風(fēng)中穩(wěn)定平衡。

上述動力系統(tǒng)為手動收放搖把或收放電機。

上述絞盤系統(tǒng)還包括絞盤和固定裝置。

其中絞盤系統(tǒng)的固定裝置可為地錨，用于將絞盤固定于地面；絞盤系統(tǒng)的固定裝置還可以為掛鉤，用于連接絞盤和載荷。

上述系留氣球還包括載荷系統(tǒng)，載荷系統(tǒng)包括載荷、載荷平臺及連接固定裝置。

上述系留氣球還包括地面控制與接收系統(tǒng)，所述地面控制與接收系統(tǒng)包括接收天線、數(shù)據(jù)顯示設(shè)備、操控設(shè)備。

上述系留氣球還包括充氣系統(tǒng)，所述充氣系統(tǒng)包括氦氣瓶、充氣管和球體保護套。

上述球體保護套外形為整塊布料，內(nèi)襯光滑，材質(zhì)為輕質(zhì)高強度纖維復(fù)合布。

上述氦氣瓶可放倒放置，其上自帶防滾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并具有與絞盤連接的結(jié)構(gòu)。

上述系留氣球還包括收納背負系統(tǒng)，所述收納背負系統(tǒng)包括收納背包和保護襯墊。

上述收納背負系統(tǒng)還包括收納背包，所述背包配有減壓緩沖材料的背負雙肩帶。上述系留氣球還包括纜繩系統(tǒng)，纜繩系統(tǒng)包括主系纜、分系纜、載荷系統(tǒng)、索具和連接裝置，纜繩系統(tǒng)用于連接所述的其他系統(tǒng)。

上述分系纜通過扁圓形回轉(zhuǎn)球體上部的封套固定子午向位置，分系纜在球體頂部連接。

上述纜繩系統(tǒng)的主系纜和分系纜為光電復(fù)合承力纜。

(三)有益效果

1、本發(fā)明提出了一種超小型系留氣球系統(tǒng)，該系留氣球系統(tǒng)將系留氣球精簡至最小化，適合單人或雙人操作和攜帶；操作簡便，所需操作人員少，可快速部署、靈活機動；對場地要求低，可在城市、鄉(xiāng)村或偏遠地區(qū)展開及發(fā)放。

2、上述超小型系留氣球系統(tǒng)可在十幾分鐘之內(nèi)快速展開、升空和回收，快速機動，且抗風(fēng)能力強，在風(fēng)中駐留時通過尾部穩(wěn)定風(fēng)帆實現(xiàn)穩(wěn)定平衡，為載荷提供穩(wěn)定的空中工作平臺。

3、上述超小型系留氣球系統(tǒng)可用于空中觀測、通信等，可部署于車輛無法到達的地區(qū)；可用于安保、通信等，尤其適用于大型活動或突發(fā)事件的短時、快速空中監(jiān)控、安保和管理指揮，以及偏遠地區(qū)的通信中繼與信號覆蓋等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例中超小型系留氣球的系統(tǒng)組成和布局圖；

圖2是圖1中球體充氣狀態(tài)的系統(tǒng)布局圖；

圖3是圖1中超小型系留氣球的俯視圖；

圖4是圖1中超小型系留氣球的仰視圖；

圖5是本發(fā)明一實施例中第一收納背包收納狀態(tài)布局示意圖；

圖6是本發(fā)明一實施例中第二收納背包收納狀態(tài)布局示意圖。

【附圖標記說明】

100-球體系統(tǒng)； 101-球體；

102-穩(wěn)定風(fēng)帆； 200-絞盤系統(tǒng)；

201-絞盤； 202-固定裝置；

203-動力系統(tǒng)； 300-載荷系統(tǒng)；

301-載荷； 302-載荷平臺；

303-連接固定裝置； 400-纜繩系統(tǒng)；

401-主系纜； 402-后側(cè)分系纜；

403-前側(cè)分系纜； 404-連接裝置；

500-地面控制與接收系統(tǒng)； 501-操控設(shè)備；

502-數(shù)據(jù)顯示設(shè)備； 503-接收天線；

600-充氣系統(tǒng)； 601-氦氣瓶；

602-充氣管； 603-球體保護布；

700-收納背負系統(tǒng)； 701-第一收納背包；

702-第二收納背包。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

球體系統(tǒng)的整個系統(tǒng)超小型化，接近系留浮空器的可浮空極限，受材料密度和浮升氣體的限制，尺寸更小的浮空器基本無法帶起自身重量。球體本體為扁球形回轉(zhuǎn)體，制造簡單，適合小型囊體。由于扁球形相比正球形在用于系留浮空器時，迎風(fēng)面更小，抗風(fēng)效果更好，更穩(wěn)定。但太扁的球形會造成球體的體面比減小，相同體積的氣囊表面積會增大，從而造成重量的增加，所以需要在重量效率和抗風(fēng)能力之間尋找平衡點。經(jīng)計算和試驗，比較合適的高寬比一般在0.6左右，根據(jù)使用和存放場合的要求進行調(diào)整，一般取0.5～0.9左右。為了保證更好的圓度和減少加工工時，對于3米左右球體，分模數(shù)經(jīng)優(yōu)化后取15且分膜數(shù)最小一般不小于12，以保證膜片連接處的過度平滑，減少應(yīng)力集中。球體無需壓力控制，簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，降低重量及耗電，氣球本身可以不需要電能，通過手動收放搖把式絞盤可實現(xiàn)單人手動操作。球體尺寸較小，表面曲率半徑小，承壓能力強，升至100米高度后可承受晝夜溫差導(dǎo)致的壓差變化。球體本身為回轉(zhuǎn)體，為方便確認位置，規(guī)定裝有穩(wěn)定風(fēng)帆(或風(fēng)翼、風(fēng)旗、風(fēng)筒)的一側(cè)為后部，且穩(wěn)定風(fēng)帆位于球體后部偏下的位置，可以用于在風(fēng)中穩(wěn)定球體方位及姿態(tài)。

絞盤方面，無回轉(zhuǎn)錨泊塔等結(jié)構(gòu)，靠主系纜與分系纜連接處的滑環(huán)來使主系纜和球體的自轉(zhuǎn)解耦。絞盤包括系纜絞盤本體、收放電機/手動收放搖把、絞盤固定裝置。絞盤固定裝置可以是地錨，用于將絞盤固定于地面；也可以是掛鉤，用于將絞盤連接于重物。

一般將電池與載荷放在一起直接供電，載荷數(shù)據(jù)及控制信號通過無線傳輸。如載荷用電量較大需連接供電線纜至地面，則可采用電滑環(huán)或光電聯(lián)軸器。采用地面供電方式時，對電池尺寸和重量基本無要求，載荷持續(xù)工作時間可以更長，數(shù)據(jù)傳輸帶寬也可以更大。該系統(tǒng)可配套的載荷種類包括：可見光、紅外、多光譜等光學(xué)載荷、通信轉(zhuǎn)發(fā)載荷、環(huán)境監(jiān)測載荷等。載荷配套系統(tǒng)還包括云臺、載荷吊掛平臺，吊掛連接繩索等。云臺可用于控制載荷姿態(tài)和方位。視頻監(jiān)控類載荷采用具有自穩(wěn)定功能的云臺，可以在氣球平臺發(fā)生晃動或少量傾斜時使監(jiān)控鏡頭的視角保持固定。

球體通過多根分系纜與主系纜連接，分系纜通過球體上部的封套固定緯向位置，多根分系纜頂部連接，球體上不需設(shè)置拉袢，減少了應(yīng)力集中、加工工時長和加工難度，提高了耐用程度和抗風(fēng)能力。連接掛索可單軸轉(zhuǎn)動，球體轉(zhuǎn)動時不會帶動主系纜擰轉(zhuǎn)。主系纜采用供電纜或光電復(fù)合纜，用于供電和傳輸數(shù)據(jù)。

對于具有三根分系纜的系留氣球，初始狀態(tài)下，球體三根分系纜中，后面的一根分系纜比前面的兩根分系纜要長，使球體具有一定的向前的自然傾斜度，根據(jù)計算和試驗結(jié)果，結(jié)合載荷工作要求，球體的自然傾斜度取10～30°左右比較合適。無風(fēng)情況下球體中點在絞盤正上方，有風(fēng)的情況下球體在風(fēng)力作用下沿下風(fēng)向偏移，主系纜隨之傾斜，球體在三根分系纜的作用下具有一定的向后傾斜的角度，該角度可以部分與球體的自然傾斜度抵消。對于載荷安裝位置要求盡可能水平的情況，也可以采用以下方式：后側(cè)的分系纜配合并聯(lián)安裝一根彈力繩，彈力繩收縮時，后側(cè)系纜松弛，長度與兩外兩根系纜長度一致，球體保持水平。有風(fēng)時，彈力繩拉長，在一定傾斜角度內(nèi)，球體仍保持水平。

地面控制/接收終端可用于控制絞盤電機收放、控制載荷云臺、控制載荷工作、接收載荷回傳數(shù)據(jù)信息。

充氣系統(tǒng)中，氦氣瓶根據(jù)氦氣使用量可使用一個或兩個高壓氣瓶。氦氣瓶可放倒放置，其上自帶防滾轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，并帶有與絞盤連接的結(jié)構(gòu)，可將絞盤連接至氦氣瓶上，利用其作為重物。如果風(fēng)力較大，還可以將絞盤連接固定至其他更重的物體上。球體保護套采用輕質(zhì)高強度纖維復(fù)合布制成，耐磨、防刮、防割、防穿刺，外形為整塊布料，內(nèi)襯光滑，不會損傷球體。收納狀態(tài)下包裹收疊好的球體之后，放置于背包之中。球體收納時包裹于球體外部，使球體全部處于球體保護套中，用于保護球體在收納狀態(tài)下免于損傷；球體展開充氣時將該保護套展開并鋪設(shè)于地面，將球體放置于其上，用于保護球體免于被地面上的尖銳物損傷，并在充氣過程中提供球體鋪開的場所。

收納背負系統(tǒng)外形為大型背包，配有減壓緩沖材料的背負雙肩帶和置于背包背側(cè)的背負減壓材料。背包可為兩個，由兩人分別背負，其中一個包括一個(或兩個)大隔艙，用于存放氦氣瓶；另一個包括多個獨立隔艙，用于存放球體、絞盤(含盤好的主系纜)、載荷平臺、地面控制終端等除氦氣瓶外的其他設(shè)備。背包也可為一個背包，用于存放系留氣球的所有部分。

對于更大規(guī)模的系統(tǒng)，可采用車載方式，配備車載收納箱或掛車，其中含氣瓶、球體收納等裝置；另外還包括箱體頂部的圓形錨泊托架，托架為圓環(huán)外部套軟質(zhì)緩沖材料，用于球體未升空前或降下后的錨泊期間使用，主纜繩通過托架圓環(huán)中部與收納箱底部的絞盤連接，可固定球體，有效防止球體被收納箱損壞，并且增加其錨泊狀態(tài)下的抗風(fēng)能力。

這里舉一個具體的實施例，用于說明該系留氣球系統(tǒng)的參數(shù)確定和系統(tǒng)組成部分：

本實施例中的系留氣球適合兩人背負操作，具有三個分系纜。

如圖1-6所示，一種超小型系留氣球包括球體系統(tǒng)100、絞盤系統(tǒng)200、載荷系統(tǒng)300、纜繩系統(tǒng)400、地面控制與接收系統(tǒng)500、充氣系統(tǒng)600、收納背負系統(tǒng)700。

球體系統(tǒng)100包括球體101、穩(wěn)定風(fēng)帆102(翼、旗)和充氣口等相關(guān)結(jié)構(gòu)；

絞盤系統(tǒng)200包括絞盤201、固定裝置202和動力系統(tǒng)203；

載荷系統(tǒng)300包括載荷301、載荷平臺302和連接固定裝置303；

纜繩系統(tǒng)400包括主系纜401、分系纜402-403和連接裝置404；

地面控制與接收系統(tǒng)500包括接收天線503、數(shù)據(jù)顯示設(shè)備502和操控設(shè)備501等；

充氣系統(tǒng)600包括氦氣瓶601、充氣管602和球體保護布603；

收納背負系統(tǒng)700包括收納背包701-702、保護襯墊等。

球體101為扁圓形回轉(zhuǎn)球體，球體高寬比為0.6，球體分膜數(shù)為15，穩(wěn)定風(fēng)帆102為風(fēng)兜連接于球體并位于球體后下方位置。絞盤系統(tǒng)200中的動力系統(tǒng)203為手動收放搖把，固定裝置202為掛鉤形式。分系纜有三根，位于球體后方的分系纜402比位于球體前方的分系纜403長，球體的自由傾斜度約15°；充氣系統(tǒng)中氦氣瓶601為兩瓶；收納背包有兩個，為第一收納背包701和第二收納背包702，第二收納背包702具有一個大隔艙，用于存放氮氣瓶601，第一收納背包701包括多個獨立隔艙，用于存放球體系統(tǒng)100、絞盤系統(tǒng)200、載荷系統(tǒng)300、纜繩系統(tǒng)400、地面控制與接收系統(tǒng)500等除除氦氣瓶外的其他系統(tǒng)，存放時，球體系統(tǒng)100置于球體保護布603中，以防止球體系統(tǒng)在收納背包中受到損傷。另外，給系留氣球中球體充氣時，應(yīng)置于球體保護布603上，如圖2所示，用于保護球體免于損傷。最后系留氣球的各性能參數(shù)為：

最大直徑：約3.5米；

最大升空高度：約100米；

載重能力：約1kg；

自由浮力：約1kgf，其中自由浮力為系留氣球的總浮力減去總重(包括纜繩升空段的重量)后剩余的浮力值；

總浮力：約為12kgf；

總載重能力：為自重、載荷與儀器包的總重，約為11kg；

系留風(fēng)力：為3～4級；

地面操作風(fēng)力：小于3級。

本發(fā)明的難度在于，該系統(tǒng)接近系留浮空器的尺寸極限，系留浮空器本身固有的升空重量就包括了球體、纜繩等重量，本身就需要一定的浮升氣體使其升空，另一方面還需要加上載荷的重量和一定的自由浮力，因此球體的體積不可能無限小。經(jīng)過反復(fù)計算和試驗，結(jié)合多個超小型系留氣球的實際升空測試，得到5～20立方米的體積基本已接近系留氣球的極限。

目前普遍使用的氦氣瓶充滿后在標準大氣壓的情況下釋放出氦氣的容量為5立方米左右，因此這里給出的最小5立方米的球體就是為了適應(yīng)單瓶氦氣的容量。當然，如果使用地點的海拔高度較高，那么使用單瓶氦氣對應(yīng)的球體體積就需要進一步增加。體積如果再小，仍然需要一個氦氣瓶為其供氣，而氦氣系統(tǒng)中需要背負的重量最大的就是氦氣瓶，這樣在整體效率上難以進一步提高。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。