CN106394852B - 平台浮空器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种临近空间平台浮空器，包括主体舱和飞行翼，飞行翼采用仿昆虫扑翼，主体舱上方由风轮蓄电池供电作开合运动的百叶窗形风帆；风帆上方设有与风轮蓄电池连接的横向风轮，风轮上方设有伞型导流罩，伞型导流罩的上表面为平滑曲面或由一组三角形单元片组成的凸面；伞型导流罩内腔设有降落伞包和控制舱，控制舱内设有控制模块，仪器舱内设有用于与其他临近空间平台和/或地面通信的5G通信模块。本发明的一种临近空间平台浮空器以氢气包的浮力和仿昆虫扑翼的上下抖动形成的升力作为持续上升动力，同时利用了近地空间至平流层的风力，能够进入平流层并稳定运作，为未来量子中继器实验提供了良好的平台基础。

Description

平台浮空器
技术领域
本发明涉及一种平台浮空器，属于临近空间飞行器技术领域。
背景技术
目前量子比特的研究正在进行中，尤其是量子中继器的应用仍处于试验阶段。临近空间是进行量子中继器实验的一个重要首要选择空间。如果在平流层建立一种空间平台基站，可以为即将到来的量子中继器提供一种空中传输途径。由于卫星到平流层的空间畅通无阻，能够有效提升量子通信卫星的科研效率。
而目前的大多数科研用飞行器的飞行高度无法达到平流层高度，或者受到上升动力来源的制约，或者受到通信条件制约，或者受到材料制约。因此，如何利用地面到平流层这一段空间的风力将飞行器送上平流层，并且在平流层稳定运行，并且飞行器之间保持稳定通信，是现阶段需要解决的难点问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种平台浮空器，以氢气包的浮力和仿昆虫扑翼的上下抖动形成的升力作为持续上升动力，同时利用了近地空间至平流层的风力，能够进入平流层并稳定运作，为未来量子中继器实验提供了良好的平台基础。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种平台浮空器，包括主体舱和飞行翼，所述主体舱由3个以上按正多边形分布的包箱构成，各包箱位于正多边形的顶点位置，各包箱均设有竖直方向的风车以及由风车驱动的飞行翼，风车所在的平面与正多边形的半径共平面，风车的轴心设有与风车同步旋转的转动支架，转动支架的中心与风车的轴心同轴，飞行翼由两根硬性活动轴以及活动轴顶端的柔性仿昆虫扑翼组成，飞行翼的两根活动轴的末端分别固定于转动支架的两端，活动轴的首端与仿昆虫扑翼连接，仿昆虫扑翼朝向正多边形的中心至包箱所在顶点的延长线；包箱内的空间分隔为用于安置仪器的仪器舱以及用于放置氢气包的氢气包舱；包箱的上方设有与风轮蓄电池连接的横向风轮，包箱与风轮之间设有竖直风帆，风轮上方设有与风轮同轴的伞型导流罩，伞型导流罩内腔设有降落伞包和控制舱，控制舱内设有与降落伞包和风帆连接的控制模块。所述伞型导流罩的上表面为平滑曲面或由一组三角形单元片组成的凸面；所述仪器舱内设有用于与其他临近空间平台和/或地面通信的5G通信模块。
所述风帆数目为4，4个风帆构成横截面为正方形的柱体的4个侧面；或者风帆数目与包箱数目相同，各风帆构成横截面为正多边形的柱体的侧面。
所述风帆为百叶窗型。
所述氢气包舱的舱壁设有由活动阀门控制的通风孔盖，氢气包舱内设有与活动阀门连接的氢气浓度传感器。
所述飞行翼的两根活动轴交叉分布，呈前后反相形式。
所述包箱的数目为4，各包箱均设有沿正方形点阵的对角线方向的通孔，通孔的近内侧区域设有通过固定于通风孔内的旋转轴竖直安装的风车，风车的轴心安装有与风车同步旋转的转动支架，转动支架的中心与风车的轴心同轴；所述飞行翼的数量为4个，各飞行翼与包箱一一对应，飞行翼由两根硬性活动轴以及活动轴顶端的柔性仿昆虫扑翼组成，飞行翼的两根活动轴的末端分别固定于转动支架的两端，活动轴的首端从包箱通孔的远内侧区域端伸出，再与仿昆虫扑翼连接。
所述仿昆虫扑翼与活动轴的长度比为3:3～5，风车的直径与活动轴的长度比为3:3～4。
所述伞型导流罩的上表面铺设有薄膜太阳能电池阵。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的一种平台浮空器设有垂直的风轮，能够随时捕获风能转化为电能储存在风轮蓄电池，为平台浮空器上的其他设备提供电能；
(2)本发明的风轮发电主要靠风轮叶片转动，其转速决定发电能力，叶片如同被风撬动的杠杆，离风轮中心越远产生能量越大；由于临近空间(平流层)主要是垂直方向的气流，垂直方向的风直接吹向风轮的中心对风轮转动影响较小，本发明的一种平台浮空器顶部设有伞型导流罩，位于风轮上方，能够使原本从风轮中心流过的风通过伞型导流罩导流回风轮叶尖部分，从而提高风轮捕获的能量；
(3)本发明的一种平台浮空器设有风帆，能够通过控制风帆角度，通过改变与气流接触的有效表面积来改变对风力的利用率，需要向哪个方向运动就调整哪一面的风能利用有效面积，能够使整个平台浮空器稳定运行；
(4)本发明的一种平台浮空器的飞行翼为仿昆虫扑翼，能够进行上下扑翼动作，利用了动态失速作为高升力，即往复运动距离仅有几倍翼弦长度，以及绝对尺寸小、雷诺数低，延缓了失速涡流的脱落，因此可用的失速攻角达到30～45度，远超普通机翼的失速攻角10～15度，使得升力成倍增加；并且在起飞的高功率状态下两翼达到最大振幅几乎相碰，中间的空隙吸入、排出气流可以短暂产生类似喷气推进的反作用力；
(5)本发明的一种平台浮空器可以在空舱的舱壁设有由活动阀门控制的通风孔盖，空舱内设有与活动阀门连接的氢气浓度传感器够随时监测空舱内氢气浓度，若超过氢气的***极限可以控制活动阀门打开通风孔盖通气以减小请其浓度，防止***事故发生；
(6)本发明的仪器舱内设有用于与其他临近空间平台和/或地面通信的5G通信模块，能够在平流层环境进行超长距离通信，保证整个平台浮空器与其他单元的持续联系；
(7)本发明的飞行翼尤其当采用前后反相双扑翼扑动结构时，飞行最为稳定，风能利用率最大；
(8)当本发明的伞型导流罩的上表面铺设有薄膜太阳能电池阵时，尤其适合；
(9)本发明的氢气包(浮力来源)设置于整个平台浮空器的下方，与现有的气球飞艇类飞行器有所不同，能够充分利用上方的气流为整个平台浮空器创造动力来源；
(10)目前，5G中长码编码已确认方案为LDPC(Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码)，不仅有逼近Shannon限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，是近年信道编码领域的研究热点，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域，LDPC码已成为***通信***(4G)强有力的竞争者，而基于LDPC码的编码方案已经被下一代卫星数字视频广播标准DVB-S2采纳。视频广播过程的视距传播要求发射机与接收机之间没有物体阻碍。由于地球曲率的影响，视距传输的距离有限，如果要进行远距离传输，必须设立地面中继站或卫星中继站进行接力传输，这就是微波视距中继和卫星中继传输，光信号的视距传输也属于此类。本发明的平台浮空器能在高空甚至平流层飞行，相邻平台浮空器之间不存在阻碍物，尤其能给5G技术提供更合适的信道，解决光通信的距离问题。
附图说明
图1是本发明的一种平台浮空器的结构示意图。
图2是本发明的风车及飞行翼结构示意图。
图3是本发明的风车及飞行翼结构示意图。
图4是本发明的仿蜻蜓扑翼示意图。
图5是本发明的仿昆虫扑翼升力产生原理示意图。
图6是本发明的仿昆虫扑翼在不同雷诺系数下的CFD模拟效果图。
图7是本发明的仿蝉扑翼示意图。
图8是本发明的前后反相双扑翼原理示意图。
图9是本发明的一种平台浮空器的气流方向示意图
图中：1-降落伞包，2-控制模块，3-控制舱，4-风轮，5-风轮蓄电池，6-风帆，7-连接柱，8-仪器舱，9-氢气包舱，10-风车，11-仿昆虫扑翼，1101-前缘脉，1102-结前横脉，1103-次前横脉，1104-翅结，1105-结后横脉，1106-翅痔，1107-翅尖，1107-次脉，1109-中部主脉，1110-后缘脉，1111-翅根，12-伞型导流罩，13-转动支架，14-活动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种平台浮空器，参照图1、图2和图3，提供了一种平台浮空器，包括主体舱和飞行翼，所述主体舱由3个以上按正多边形分布的包箱构成，各包箱位于正多边形的顶点位置。各包箱完全相同，由图中仪器舱8和氢气包舱9构成，保证了整个平台浮空器的平稳。各包箱均设有竖直方向的风车10以及由风车10驱动的飞行翼，风车10所在的平面与正多边形的半径共平面，风车的轴心设有与风车同步旋转的转动支架13，转动支架13的中心与风车10的轴心同轴，飞行翼由两根硬性活动轴14以及活动轴14顶端的柔性仿昆虫扑翼11组成，飞行翼的两根活动轴14的末端分别固定于转动支架13的两端，活动轴14的首端与仿昆虫扑翼11连接，仿昆虫扑翼11朝向正多边形的中心至包箱所在顶点的延长线；包箱内的空间分隔为用于安置仪器的仪器舱8以及用于放置氢气包的氢气包舱9；包箱的上方设有与风轮蓄电池5连接的横向风轮4，包箱与风轮4之间设有竖直风帆6，风轮4上方设有与风轮同轴的伞型导流罩12，伞型导流罩12内腔设有降落伞包1和控制舱3，控制舱3内设有与降落伞包和风帆连接的控制模块2。
具体地，参照图2，本实施例的包箱的数目为4，包箱、风车和飞行翼可通过以下方式连接：包箱均设有沿正方形点阵的对角线方向的通孔，通孔的近内侧区域设有通过固定于通风孔内的旋转轴竖直安装的风车，风车的轴心安装有与风车同步旋转的转动支架，转动支架的中心与风车的轴心同轴；所述飞行翼的数量为4个，各飞行翼与包箱一一对应，飞行翼的两根活动轴的末端分别固定于转动支架的两端，活动轴的首端从包箱通孔的远内侧区域端伸出，再与仿昆虫扑翼连接。
所述飞行翼的两根活动轴交叉分布，呈前后反相形式。其原理如图8所示，这种机构，两扑翼反对称扑动产生的力矩可完全相互抵消，不会对机身造成不平衡振动时产生的震动影响，使整个平台浮空器保持平稳，且对风能利用率最大。
参照图1，包箱与风轮4之间通过连接柱7支撑和固定，风帆数目为4(图中只画出了左边风帆和右边风帆)，4个风帆构成横截面为正方形的柱体的4个侧面。风帆数目也可以与包箱数目相同，各包箱上方各安装一个风帆，各风帆构成横截面为正多边形的柱体的侧面。
所述风帆可以是与帆船上类似的杨帆，也可以为百叶窗型。
所述氢气包舱的舱壁设有由活动阀门控制的通风孔盖，氢气包舱内设有与活动阀门连接的氢气浓度传感器。
所述伞型导流罩的上表面为平滑曲面或由一组三角形单元片组成的凸面。
所述仿昆虫扑翼与活动轴的长度比为3:3～5，风车的直径与活动轴的长度比为3:3～4。
所述仪器舱内设有用于与其他临近空间平台和/或地面通信的5G通信模块。
所述伞型导流罩的上表面铺设有薄膜太阳能电池阵。
所述仿昆虫扑翼11为柔性，采用图4所示的仿蜻蜓扑翼或图7所示的仿蝉扑翼(二者均为柔性仿昆虫扑翼)，包括前缘脉1101、结前横脉1102、次前缘脉1103、翅结1104、结后横脉1105、翅痔1106、翅尖1107、次脉1108、中部主脉1109、后缘脉1110以及翅根1111。图中所示描黑部位为扑翼较厚的部位，其余部位轻而薄。因此仿昆虫扑翼11的外轮廓支架可采用密度2.0g/cm3、弹性模量210GP的碳纤维梁，内部脉络可采用密度4.5g/cm3、弹性模量104GP的钛合金杆，翅膜可采用密度1.3g/cm3、弹性模量3GP的塑料膜。仿昆虫扑翼11与活动轴14的长度比为3:3～5，风车10的直径与活动轴14的长度比为3:3～4。具体地，可将各部位尺寸作以下设置：风车的直径设置为1500mm，风车外轮由10根均匀辐射的辐条支撑，活动轴14的长度为2500mm，仿昆虫扑翼的长度为1800mm。现有的仿昆虫扑翼均停留在理论阶段，并且一般作用于微型飞行器，本发明的平台浮空器利用风车提供仿昆虫扑翼的动力，实现了仿昆虫扑翼很好的运动能力。
风轮蓄电池5可位于风轮中心下方、两个风帆控制箱之间处，各部件间的排线可穿越风轮中心的中空轴部，避免风轮旋转时对线路造成影响。
参照图9，箭头部分指示了部分空气流动方向。本发明的平台浮空器上层利用伞型导流罩引导气流尽可能被风轮捕获，风带动风轮制造出仪器需要的电能存储在风轮蓄电池5内。控制平台浮空器中部风帆中多个封闭，所需方向的一面打开，以此控制平台浮空器水平方向的运动方向。风帆截流的气流向下走，为浮空器提供向上的反作用力；同时带动浮空器底层的风车转动，风车转动为仿昆虫扑翼提供能量上下扇动扑翼，从而产生向上的推力。
本发明的一种平台浮空器的飞行翼为仿昆虫扑翼，而非传统飞行器采用的固定翼。参照图5，是仿昆虫扑翼升力产生原理示意图，给出了A、B、C、D、E和F六种不同方向或大小的风力对仿昆虫扑翼产生的影响。图中，末端带圆点的粗线段代表仿昆虫扑翼及扑翼轴，水平方向的一组箭头代表自然风力，单个粗箭头代表升力，一对细箭头代表漩涡造成的气流方向，曲线箭头为漩涡示意图。可以看到仿昆虫扑翼完全符合空气动力学，能够给整个平台浮空器提供足够的升力进入平流层。
图6为ANSYS软件模拟的仿昆虫扑翼在不同雷诺系数下的CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学)示意图。可以看到，大雷诺系数下，扑翼的CFD与小雷诺系数下的差不多，只是漩涡情况有所区别。到实地试验阶段要注意看振幅/弦长的比值，越大越容易失速。如果雷诺数高了就要增加弦长减小振幅/弦长的比值。扑旋翼、扑翼、旋翼三者在小雷诺数下，扑旋翼效率最高。
本发明的一种平台浮空器，以氢气包的浮力和仿昆虫扑翼的上下抖动形成的升力作为持续上升动力，同时利用了近地空间至平流层的风力，能够进入平流层并稳定运作，为未来量子中继器实验提供了良好的平台基础。

Claims (8)

1.一种平台浮空器，包括主体舱和飞行翼，其特征在于：所述主体舱由3个以上按正多边形分布的包箱构成，各包箱位于正多边形的顶点位置，各包箱均设有竖直方向的风车以及由风车驱动的飞行翼，风车所在的平面与正多边形的半径共平面，风车的轴心设有与风车同步旋转的转动支架，转动支架的中心与风车的轴心同轴，飞行翼由两根硬性活动轴以及活动轴顶端的柔性仿昆虫扑翼组成，飞行翼的两根活动轴的末端分别固定于转动支架的两端，活动轴的首端与仿昆虫扑翼连接，仿昆虫扑翼朝向正多边形的中心至包箱所在顶点的延长线；包箱内的空间分隔为用于安置仪器的仪器舱以及用于放置氢气包的氢气包舱；包箱的上方设有与风轮蓄电池连接的横向风轮，包箱与横向风轮之间设有竖直风帆，横向风轮上方设有与横向风轮同轴的伞型导流罩，伞型导流罩内腔设有降落伞包和控制舱，控制舱内设有与降落伞包和竖直风帆连接的控制模块；所述伞型导流罩的上表面为平滑曲面或由一组三角形单元片组成的凸面；所述仪器舱内设有用于与其他临近空间平台和/或地面通信的5G通信模块。
2.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述竖直风帆数目为4，4个竖直风帆构成横截面为正方形的柱体的4个侧面；或者竖直风帆数目与包箱数目相同，各竖直风帆构成横截面为正多边形的柱体的侧面。
3.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述竖直风帆为百叶窗型。
4.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述氢气包舱的舱壁设有由活动阀门控制的通风孔盖，氢气包舱内设有与活动阀门连接的氢气浓度传感器。
5.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述飞行翼的两根活动轴交叉分布，呈前后反相形式。
6.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述包箱的数目为4，各包箱均设有沿正方形点阵的对角线方向的通孔，通孔的近内侧区域设有通过固定于通风孔内的旋转轴竖直安装的风车，风车的轴心安装有与风车同步旋转的转动支架，转动支架的中心与风车的轴心同轴；所述飞行翼的数量为4个，各飞行翼与包箱一一对应，飞行翼由两根硬性活动轴以及活动轴顶端的柔性仿昆虫扑翼组成，飞行翼的两根活动轴的末端分别固定于转动支架的两端，活动轴的首端从包箱通孔的远内侧区域端伸出，再与柔性仿昆虫扑翼连接。
7.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述仿昆虫扑翼与活动轴的长度比为3:3～5，风车的直径与活动轴的长度比为3:3～4。
8.根据权利要求1所述的平台浮空器，其特征在于：所述伞型导流罩的上表面铺设有薄膜太阳能电池阵。
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