一种带有相变调节气囊的高空气球的制作方法

本实用新型涉及一种高空气球，尤其涉及一种带有相变调节气囊的高空气球。

背景技术：

高空气球由球体系统、设备载荷吊篮等组成，球体内充以一定质量轻于空气的升力气体以产生浮力，使气球上升并保持到适当的高度。设备载荷吊篮中包含有能源、控制、航电、通信、回收等设备及任务载荷。广义的高空气球分为传统的零压式自然形气球、大型超压气球、小型超压气球、红外热气球等。

零压气球一般采用开放式结构，底部有排气管。发放升空时，随着气球上升和大气压力的降低，球体内的升力气体迅速膨胀。到达上升极限时，升力气体充满整个球体，多余的升力气体从底部的排气管排出，气球自身重力与浮力达到平衡。白天由于太阳直接辐射、地面反照辐射、地气红外辐射等综合因素的影响会使球体内部气体的温度明显高于外部大气的温度，球体内部升力气体膨胀导致内外压差增加。为了防止气球膨胀导致球体爆裂，气球底部的排气管将排出一部分升力气体。夜晚，太阳辐射消失，内部升力气体温度下降，压力下降，气球所受到的浮力减小，会造成高度下降。当高度太低时，可以抛一定的压舱物(例如水或沙子)。但是由于气球所能携带的压舱物和升力气体在空中都属于不可再生资源，所以高度调节的次数和幅度都十分有限。一旦没有多余的压舱物可以抛、剩余升力气体不足以提供有效工作高度需要的最低浮力时，就不得不结束任务，有效工作时间极其短暂。

超压单一体是靠特殊结构设计和高强度的薄膜材料来被动抵抗压差的增大，但是这种被动方式能够抵抗的压差毕竟是有限的。由于地球中低纬度昼夜辐照条件变化剧烈，超压单一体超压会比较大。因此，几万立方米体积以上的大型超压单一体大多在地球高纬度极昼地区才能开展飞行任务。此外，超压单一体并没有调节工作高度的能力。

复合体通过内部空气囊对工作高度进行调节的同时，有可能更大程度加剧压差的增加：排出空气提升高度时，内外压力同时减小；吸收空气降低高度时，内外压力同时增加。也就是说，仅仅靠空气囊难以兼顾压差和高度同时控制，存在典型的欠驱动问题。实际上内部空气囊在理论上并不适合作为保持压差的手段，日夜温差的影响将导致不同的连锁反应：(1)白天由于太阳直接辐射、地面反照辐射、地气红外辐射等综合因素的影响会使球体内部气体的温度明显高于外部大气的温度，若不进行排气，内外压差有可能会超过蒙皮的应力范围，降低蒙皮的使用寿命。而排放气体会导致系统的重力减小，使净浮力增大，影响高度保持。(2)晚上由于球体内部气体温度降低，压强减小，为了保压就需要充入空气，这将使得系统的重力增加，净浮力减小，同样影响高度保持。

关于旋转阴阳体，虽然申请号为201380036079.7的中国实用新型名称为“利用密度调节和/或体积调节的气球高度控制”，但旋转阴阳体其实质属于仅仅理论上可以主动进行压差保持控制。首先，正如该说明书0034段所说的，在夜间不再可能依靠旋转阴阳体进行压差保持，因此旋转阴阳体并不是一种可以昼夜循环的办法。其次，其权利要求第16、17条及说明书0129-0132段写到，将通过电动机或伺服电动机控制操作一个或多个偏置风扇、推力板或推力偏转器使定向套管释放压缩空气、万向支架或球形滚轴轴承等方式来旋转气囊，这里实际上有两个致命问题：一是高空气球工作高度越高、体积越大(已有百万立方米量级巨型高空气球其表面积都可铺满多个足球场了)、转动惯量越大，通过主动控制让整个气球都旋转需要非常大的功耗，实际上难以实现。二是旋转球体势必加剧下面吊篮的扭转，须知吊篮的姿态才最终决定任务设备工作质量及用户满意度，即便不对上面巨大球体进行旋转，也需非常重视对风场扰动造成的扭转进行反捻控制、实现与方位控制的解耦。

红外热气球作为一种通过被动热方案，尽管可以在一定程度上缓解压差不利变化，但其对工作高度保持也带来不利影响，晚上高度比白天高度低10km，并且仅仅坚持了第5天就结束任务了。

综上所述，目前还缺少能够有效进行气球压差保持、实现昼夜循环的主动控制方案，使得气球的飞行安全性没有从根本上得到保证，从而影响了高空气球的持久驻空能力；目前更没有通过配备完整的驱动手段，实现压差保持和高度控制之间的协调，削弱了高空气球的有效工作质量。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种带有相变调节气囊的高空气球。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种带有相变调节气囊的高空气球，包括主气囊；用于装备任务设备及载荷的载荷吊篮；用于直接或间接调节高空气球压差，使得气球在高度变化时压差保持在安全范围内的相变调节气囊；用于填充相变调节气囊的相变工质气体；用于调控相变调节气囊内相变工质气体体积的相变设备；相变设备包括将相变工质气体液化/凝华的液化/凝华装置；将相变工质气化/升华的气化/升华装置；储存液相/固相工质的储罐；相变电子及配件；用于控制相变设备，在不改变整个气球系统重量的前提下改变相变调节气囊的体积，从而引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内的控制系统。

进一步地，相变调节气囊可为单一配置于主气囊的内部、单一配置于主气囊外部、复合配置于主气囊的内部、复合配置于主气囊的外部、单一内外混合配置、复合内外混合配置。

进一步地，配置于主气囊外部的相变调节气囊，通过相变设备改变相变调节气囊的体积大小，从而直接改变气球的高度，间接改变气球的压差，可使气球压差保持在安全范围内。

进一步地，当主气囊的压差超过保守上限时，通过液化/凝华装置将相变调节气囊中的相变工质气体液化/凝华，从而使相变调节气囊的体积减小，直接引起气球的浮力减小，高度下降，于是周围大气压增大，间接导致气球的压差减小；

当主气囊的压差超过保守下限时，通过气化/升华装置将储罐内的液相/固相工质气化/升华成相变工质气体输送到相变调节气囊内，使相变调节气囊的体积增大，直接引起气球的浮力增加，高度上升，于是周围大气压减小，间接导致气球的压差增加。

进一步地，配置于主气囊内部的相变调节气囊，气球利用改变内置式相变调节气囊的体积，直接引起气球压差的适当变化，使得气球压差保持在安全范围内。

进一步地，主气囊的压差超过保守上限时，则通过液化/凝华装置将相变调节气囊中的相变工质气体进行液化/凝华，可以使相变调节气囊的体积减小、为升力气体留出膨胀空间，于是升力气体的体积扩张，内部压力及主气囊的压差减小，可减缓压差上升趋势；

当主气囊的压差超过保守下限，则通过气化/升华装置将储罐中的液相/固相工质进行气化/升华，可以使相变调节气囊的体积增大，于是升力气体的体积收缩，内部压力及主气囊302的压差增大。

进一步地，复合配置的主气囊内还设置有内部空气囊，并且设置气泵吸进或排除内部空气囊中的空气以改变内部空气囊的体积，从而改变主气囊的压差，为相变调节气囊提供有利的压差条件，辅助进行高度变更，并使得气球压差保持在安全范围内。

进一步地，内部空气囊配置在内置的相变调节气囊内部，在需要降低高度时，首先通过液化/凝华装置收缩相变调节气囊，升力气体体内散开、压力减小，把压差降到容许的安全压差下限附近，以便气泵吸气的流率尽可能大，气泵吸气降高的同时，主气囊压差也增大，一旦增大到有效吸气压差上限，便停止进气以降低气泵功耗，并且继续收缩内部相变调节气囊；

在需要提升高度时，首先通过气化/升华装置使得内部相变调节气囊扩张，升力气体体内收紧、压力增大，把压差增加到容许的安全压差上限附近，以便为气泵排气过程主气囊接近压差安全下限；气泵排气提升高度的同时，主气囊压差也减小，一旦减小主气囊容许的压差下限，便停止排气，并且继续扩张内部相变调节气囊。

球体压差处于安全范围，是决定气球能否续航工作的生命线。采用本实用新型技术可以实现主动进行安全压差控制，不仅从根本上改变已有气球靠排除有限的升力气体资源、或者靠球体材料选择和特殊结构硬抗的被动局面，而且从根本上化解了带内部空气囊情形气泵工作给球体压差带来的恶劣影响。更重要的有别于需要不靠谱的巨大功耗旋转阴阳球不能实现昼夜循环的主动保压设想，采用本实用新型技术可以从根本上实现主动昼夜循环进行压差安全控制。采用双置外相可以实现冗余的方式进行压差安全控制。

为了更好地实现任务可能要求的气球工作高度变更，本实用新型技术针对现有复合体气泵工作对气体内外压差的苛刻要求，不仅提供通过相变直接调节高度的冗余方式，而且可以为复合体气泵工作创建有利的压差条件。更重要的是，在进行高度变更控制的全过程，始终确保球体压差处于安全范围，实现高度控制与压差控制的优化协调。

附图说明

图1为实施例一的整体结构示意图。

图2为实施例一的调整压差方法流程图。

图3为实施例二的整体结构示意图。

图4为实施例二的调整压差方法流程图。

图5为实施例三的整体结构示意图。

图6为实施例三的调整压差方法流程图。

图7为实施例四的整体结构示意图。

图8为实施例四的调整压差方法流程图。

图9为实施例五的整体结构示意图。

图10为实施例五的调整压差方法流程图。

图11为实施例六的整体结构示意图。

图12为实施例六的调整压差方法流程图。

图中：302、主气囊；304、升力气体；306、应急返航排气阀；308、载荷吊篮；310、压舱物；312、结缆绳索及其附着安全操纵装置；314、内部空气囊；316、内部空气；318、气泵；330、相变调节气囊；332、相变工质气体；334、液相/固相工质储罐；336、液化/凝华装置；338、气化/升华装置；340、相变电子及配件；362、相变系统专用吊篮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一、

如图1所示为带有外置式相变调节气囊的单一球体高空气球(简称外相单一体)。相变调节气囊设置于主气囊外部、载荷吊篮的下方。相变工质气体通过液化/凝华装置和气化/升华装置与相变调节气囊内部相连通，并且通过相变电子及配件控制。

相变调节气囊330的体积变化，直接引起气球系统浮力变化和高度变化，于是周围大气压发生变化，从而间接导致主气囊302的压差变化。

相变气囊间接调整单一球体高空气球压差的流程如图2所示，根据设计和地面测试可以预先确定气球压差的容许下限pdm及上限pdm，进一步可设置比下限稍大的适当值作为保守下限pdm ＞pdm及比上限稍小的适当值作为保守上限pdm-＜pdm。如果主气囊302的压差超过保守上限pdm-，则通过液化/凝华装置336将相变调节气囊330中的相变工质气体332进行液化/凝华，可以使相变调节气囊的体积减小，直接引起气球系统浮力减小和高度下降，于是周围大气压增大，从而间接导致主气囊302的压差减小；如果主气囊302的压差超过保守下限pdm ，则通过气化/升华装置338将储罐中的液相/固相工质进行气化/升华，可以使相变调节气囊的体积增大，直接引起气球系统浮力增加和高度上升，于是周围大气压减小，从而间接导致主气囊302的压差增大；否则，主气囊压差处于安全范围，如果压差安全裕度较大，并且相变驱动及压舱物还有裕量，还可以通过相变适当恢复升力气体主气囊的高度。作为示例分析，通过相变气囊调整高度，从海拔20km下降到18km，外界压力增加，热辐射形成的气球压差可以大幅度急剧降低。如果没有相变气囊就只能硬抗，甚至造成球体破裂。

实施例二、

图3所示为带有外置式相变调节气囊的复合球体高空气球(简称外相复合体)。本实施例中，相变调节气囊设置于主气囊外部、载荷吊篮的下方。液相/固相工质通过液化/凝华装置和气化/升华装置与相变调节气囊内部相连通，通过相变电子及配件控制。并且在主气囊的内部设置内部空气囊，内部空气囊的气口处设置气泵。

气泵318用于把主气囊外面的一些空气吸进内部空气囊314、或者将内部空气囊中的一些空气排到主气囊外面，从而调整气球的高度。相变调节气囊可以在一定程度上克服单独使用气泵的局限性，对调节高度起到一定的辅助作用，并确保主气囊压差处在安全范围之内。因为正常情况下主气囊压差处于安全范围内，主气囊内部气压一般都大于外部大气压，也就是说气泵工作将外部空气吸进内部空气囊都是从低压端输送到高压端，所以压差越小则气泵的功耗越小，压差越大越难，海拔越高越难，功耗是压差和体积流率的非线性函数，质量流率是源头空气密度与体积流率的乘积，而体积流率是海拔高度和压差的非线性函数，在不同高度时体积流率逐步减小为零的压差值pd_pm(h)称为气泵有效吸气的压差上限，随海拔高度增加而减小，可以结合厂家给的非线性曲线和地面测试结果进行拟合，以方便控制使用。

如图4所示为外置式相变气囊辅助安全变更高度的流程，让主气囊压差始终处在安全范围，并尽力为高度变更提供辅助作用，既有通过压差调节提高气泵效率的间接辅助，也有直接调高作用。

在需要降低高度时，首先收缩相变调节气囊帮助降高的同时，还把压差降到容许的安全压差下限附近，以便气泵吸气的流率尽可能大。气泵吸气降高的同时，主气囊压差也增大，一旦增大到有效吸气压差上限pd_pm(h)，便停止进气以降低气泵功耗，并且继续收缩相变调节气囊。否则，看是否达到目标高度，如果还没有达到目标高度，气泵便继续从球体外吸进空气。

在需要提升高度时，首先扩张相变调节气囊帮助升高的同时，还把压差增加到容许的安全压差上限附近，以便为气泵排气过程主气囊太快接近压差安全下限。气泵排气提升高度的同时，主气囊压差也减小，一旦减小球体容许的压差下限，便停止排气，并且继续扩张相变调节气囊。否则，看是否达到目标高度，如果还没有达到目标高度，气泵便继续从内部空气囊排气到球体外。

实施例三、

如图5所示为带有内置式相变调节气囊的单一球体高空气球(简称内相单一体)。相变调节气囊位于主气囊的内部，主气囊与载荷吊篮之间设置相变系统专用吊篮。液相/固相工质通过液化/凝华装置和气化/升华装置与相变调节气囊内部相连通，并且通过相变电子及配件控制，液化/凝华装置336、气化/升华装置338以及相变电子及配件340构成相变调节系统安装在相变系统专用吊篮362中。

内置式相变调节气囊330的体积变化，直接引起主气囊内部升力气体304呈现相逆的体积变化，因此内部气体压力及内外压差变化，而且并没有改变浮重平衡，所以不会对高度变化产生不利影响。内置式相变气囊直接调整主气囊压差的流程如图6所示，针对升力气体温度和压力昼夜变化，如果主气囊302的压差超过保守上限，则通过液化/凝华装置336将相变调节气囊中的相变工质气体332进行液化/凝华，可以使相变调节气囊的体积减小、为升力气体留出膨胀空间，于是升力气体304的体积扩张，内部压力及主气囊302的压差减小，减缓压差上升趋势，降低球体结构应力程度；如果主气囊的压差超过保守下限，则通过气化/升华装置338将储罐中的液相/固相工质334进行气化/升华，可以使相变调节气囊的体积增大，于是升力气体304的体积收缩，内部压力及主气囊302的压差增大，抵消升力气体温度过低可能导致球体无法保形(此时已降至接近零压差)。如果没有相变调节气囊就只能硬抗，甚至造成球体破裂。基于内置式相变调节气囊，在并不影响高度变化的前提下，就可以直接调整压差，实现高空气球的压差昼夜循环始终保持在安全范围内。

以5000立方体积为基准进行示例分析，主气囊设计中其自身承担平均温度波动所造成的压差量波动，遇到温度波动量较大的情况，多余的波动量由内置式相变电子及配件组成的相变系统负责调节并抵消，实际经验中温度昼夜波动平均范围227～248k以及极限范围约214～259k，相变气囊体积约500立方米，完全相变时间参考昼夜温度波动频率以及尽量降低主气囊应力水平的考虑，可选定为6小时，即需要的体积相变速率为100立方米/小时。

实施例四、

如图7所示为带有内置式相变调节气囊的复合球体高空气球(简称内相复合体)。相变调节气囊位于主气囊中，且内部空气气囊位于相变调节气囊中。主气囊与载荷吊篮之间设置相变系统专用吊篮。液相/固相工质通过液化/凝华装置和气化/升华装置与相变调节气囊内部相连通，并且通过相变电子及配件控制，液化/凝华装置336、气化/升华装置338以及相变电子及配件340构成相变调节系统安装在相变系统专用吊篮362中。内部气囊的气口处设置气泵。

定高保压模式的流程也如图8所示。与外相复合体不同之处在于，内置相变调节气囊变化对高度变更只能起到间接的辅助作用，而不像外相还可以直接调高。

在需要降低高度时，首先通过液化/凝华，收缩内部相变调节气囊，升力气体体内散开、压力减小，把压差降到容许的安全压差下限附近，以便气泵吸气的流率尽可能大。气泵吸气降高的同时，主气囊压差也增大，一旦增大到有效吸气压差上限pd_pm(h)，便停止进气以降低气泵功耗，并且继续收缩内部相变调节气囊。否则，看是否达到目标高度，如果还没有达到目标高度，气泵便继续从主气囊外吸进空气。

在需要提升高度时，首先通过气化/升华，使得内部相变调节气囊扩张，升力气体体内收紧、压力增大，把压差增加到容许的安全压差上限附近，以便为气泵排气过程主气囊太快接近压差安全下限。气泵排气提升高度的同时，主气囊压差也减小，一旦减小主气囊容许的压差下限，便停止排气，并且继续扩张内部相变调节气囊。否则，看是否达到目标高度，如果还没有达到目标高度，气泵便继续从内部空气囊排气到主气囊外。

实施例五、

如图9所示为带有外置式与内置式相变调节气囊的单一球体高空气球(简称双相单一体)。包括两个相变调节气囊，分别位于主气囊的内部形成内置式相变调节和位于主气囊的外部形成外置式相变调节。在主气囊的下方设置相变系统专用吊篮，并且在相变系统专用吊篮内设置专用于内置式相变调节气囊的相变调节系统。在载荷吊篮内设置专用于外置式相变调节气囊的相变调节系统。

在定高工作模式具有冗余安全保压能力，例如在内置相变正常可用则首选内置相变进行保压且不引起高度波动；否则就采用外置相变进行保压；也可能内外相变混合保压，例如内置相变的剩余液化能力不足时，采用外置液化与内置气化相结合，具有一定的灵活性。

将外置相变具有一定的调高能力与内置相变直接调压的特点有机结合起来可以更好的保压调高，如图10所示。如果需要提升高度，本来应该通过外置相变气化/升华直接提升浮力高度，但会导致外部大气压减小，使得主气囊压差增大。为此，如果还没有超出保守压差下限，并且内部相变调节气囊还没有完全收缩，则先通过内置相变液化/凝华，使得球体压差最大程度减小。然后才通过外置相变气化/升华直接提升浮力高度，并且当压差增大到保守上限时就暂停外置相变气化/升华、转为继续内置相变液化/凝华，否则继续进行外置相变气化/升华、直到达到目标高度(或外相气化/升华剩余能力已用尽)。类似的可以归纳出降低高度过程的流程，首先通过内置相变气化/升华把主气囊压差调到保守上限值，然后通过外置相变液化/凝华将浮力高度往下降，并且当压差减小到保守下限时就暂停外置相变液化/凝华、转为继续内置相变气化/升华进行增压，否则继续进行外置相变液化/凝华、直到达到目标高度(或外相液化/凝华剩余能力已用尽)。

实施例六、

如图11所示为带有外置式与内置式相变调节气囊的复合球体高空气球(简称双相复合体)。包括两个相变调节气囊，分别位于主气囊的内部形成内置式相变调节和位于主气囊的外部形成外置式相变调节。内置式相变调节气囊的内部还设置有内部空气囊。内部空气囊的气口处设置气泵。在主气囊的下方设置相变系统专用吊篮，并且在相变系统专用吊篮内设置专用于内置式相变调节气囊的相变调节系统。在载荷吊篮内设置专用于外置式相变调节气囊的相变调节系统。

在定高保压模式与实施例五双相单一体类同，具有冗余能力。

在高度调整模式，由于外置相变与内部空气囊都具有调节高度的能力，但又分别对压差带来不同的影响，所以应该优势互补：利用相变为气泵工作创造所需要的压差条件；合理灵活安排外相调高与气泵调高的优先权；在调高过程中合理灵活选择外相或内相进行安全压差保障的优先权。在具体实施中可以根据整个气球系统的设计参数和实际工况灵活应用，如图12所示仅仅是一种具体示范策略。

需要降低高度时，考虑到外置相变在降高的同时可使压差减小，有利于稍后用气泵吸气时有一个良好的低压差初始条件，因此先实施外置相变液化/凝华；如果尚未达到目标高度、并且尚未达到气泵吸气所需的最佳初始压差，则灵活选择外置相变液化/凝华或内置相变液化/凝华，继续减小压差；否则就开始实施气泵吸进空气来降低高度；如果仍未达到目标高度、并且压差已超过气泵有效吸气所需的压差上限pd_pm(h)，则灵活选择外置相变液化/凝华或内置相变液化/凝华，促使压差减小。可见，这个过程体现了：外置相变液化/凝华同气泵吸进空气有机结合，实现优化调高；外置相变液化/凝华同内置相变液化/凝华有机结合，实现优化保压；并且保压为气泵工作创造良好的压差条件。

需要提升高度时，考虑到外置相变在使高度上升的同时可使压差增大，因此先实施外置相变气化/升华，从而避免气泵排气过早导致球体压差可能超过安全下限；如果尚未达到目标高度、并且球体压差尚未达到安全上限，则灵活选择外置相变气化/升华或内置相变气化/升华，继续增大压差；否则就开始实施气泵排出空气来提升高度；如果仍未达到目标高度、并且因为持续排出空气导致球体压差已超过安全下限，则灵活选择外置相变气化/升华或内置相变气化/升华，促使压差增大。可见，这个过程体现了：外置相变气化/升华同气泵排出空气有机结合，实现优化调高；外置相变气化/升华同内置相变气化/升华有机结合，实现优化保压；并且保压为气泵工作创造良好的压差条件。

上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。