阅读说明：本技术 一种高空气球发放系统和方法 (High-altitude balloon issuing system and method ) 是由 张泰华 张冬辉 王立祥 王谦 王梓皓 付强 李艳博 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高空气球发放系统和方法,系统包括依次连接的高空气球、降落伞、连接部和吊舱,其特征在于,还包括：第一约束装置,设置于所述高空气球上,用于约束高空气球,且将所述高空气球从头至尾分为球头部和不成形段球体部；第二约束装置,一端与所述高空气球尾部或所述降落伞尾部相连接,另一端安装在地面上,用于约束和控制所述高空气球,在解除第一约束装置后,缓冲所述球头部释放过程对所述吊舱造成的冲击,并将所述球头的净浮力转移至吊舱及整个系统。本发明系统结构简单,便于控制,无需较大的发放场地,能够实现对高空气球的吊舱及其载荷无冲击发放,减小对球体的损伤,提高了高空气球的发放效率和安全性。(The invention relates to a high-altitude balloon issuing system and method, wherein the system comprises a high-altitude balloon, a parachute, a connecting part and a nacelle which are sequentially connected, and the system is characterized by further comprising: the first restraint device is arranged on the high-altitude balloon, is used for restraining the high-altitude balloon and divides the high-altitude balloon into a head part and an unformed section sphere part from beginning to end; and one end of the second constraint device is connected with the tail part of the high-altitude balloon or the tail part of the parachute, the other end of the second constraint device is arranged on the ground and used for constraining and controlling the high-altitude balloon, after the first constraint device is released, the impact of the head part of the ball on the pod in the releasing process is buffered, and the net buoyancy of the ball head is transferred to the pod and the whole system. The system disclosed by the invention is simple in structure, convenient to control, free of a large issuing field, capable of realizing impact-free issuing of the pod of the high-altitude balloon and the load of the pod, reducing damage to the balloon and improving issuing efficiency and safety of the high-altitude balloon.)

一种高空气球发放系统和方法

技术领域

本发明涉及浮空器技术领域，尤其涉及一种高空气球发放系统和方法。

背景技术

高空气球是在平流层飞行的无动力浮空器，它的升空和飞行工作原理是根据阿基米德浮力定律和牛顿第二定律构建的。高空气球的发放方式按照吊舱及其载荷在发放过程中是否移动可分为静态发放和动态发放两种，静态发放过程通过缓慢释放充气后的球体，将球头浮力逐渐转移到吊舱，进而完成发放，在这个过程中，吊舱及其载荷基本保持静止直至发放完成升空。动态发放过程需要将整个系统水平铺设，球头由发放滚筒约束，吊舱及其载荷由吊车或发放车约束并吊离地面至安全高度，发放时分两次解除约束，首先打开发放滚筒释放球头，球头在浮升气体浮力作用下立起，在立起过程中，择机开动吊车或发放车，调整吊舱及其载荷移动方向和速度，确保与风向一致，当气球过顶后，择机解除吊车或发放车对吊舱的约束，完成气球发放。

静态发放过程对吊舱及其载荷的冲击和过载较小，但对球体有潜在的损伤。动态发放过程能够较好地保护球体，但所需场地较大，且发放过程无论对球体还是吊舱及其载荷，都有很大的冲击和过载。对于大型高空气球而言，大多采用动态发放，但所需要的场地较大，一般需要数百米的发放场地，该场地具备吊车或发放车行驶平稳条件，吊车或发放车能够加速启动和制动，成本很高。且通常需选择在机场跑道实施高空气球的动态发放，但是，这就又增加了空管限制等因素，使得高空气球的发放场地和窗口的选择限制很多，甚至影响和制约了高空气球的推广和发展。因此如何避免高空气球发放过程中对吊舱及其载荷的冲击，且降低对发放场地要求，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于，提供一种高空气球发放系统和方法，系统结构简单，便于控制，无需较大的发放场地，能够实现对高空气球的吊舱及其载荷无冲击发放，减小对球体的损伤，提高了高空气球的发放效率和安全性。

根据本发明第一实施例，提供了一种高空气球发放系统，包括依次连接的高空气球、降落伞、连接部和吊舱，还包括：

第一约束装置，设置于所述高空气球上，用于约束高空气球，且将所述高空气球从头至尾分为球头部和不成形段球体部；

第二约束装置，一端与所述高空气球尾部或所述降落伞尾部相连接，另一端安装在地面上，用于约束和控制所述高空气球，在解除第一约束装置后，缓冲所述球头部释放过程对所述吊舱造成的冲击，并将所述球头的净浮力转移至吊舱及整个系统。

进一步的，所述连接部为绳索结构、绳笼结构或绳梯结构，用于将所述系统的整体扭转度控制在预设范围内。

进一步的，所述高空气球装置还包括移动部，用于承载和移动所述吊舱。

进一步的，所述第二约束装置包括约束拉绳、导向轮和拉绳收放部，所述导向轮和拉绳收放部均安装在地面上，

所述约束拉绳穿过所述导向轮，一端与高空气球尾部或所述降落伞尾部相连接，另一端连接至所述拉绳收放部；

所述导向轮用于调整所述约束拉绳的受力方向，并缓冲所述球头部释放后对所述吊舱造成的冲击；

所述拉绳收放部用于收放所述约束拉绳，约束和控制所述球头部的净浮力，并在所述第一约束装置释放后调整整个系统的高度。

进一步的，所述导向轮包括滑轮和第一基座；

所述滑轮安装在所述第一基座上，能够在所述第一基座上摆动，所述导向轮的轮摆切点位于所述第一约束装置的中心切面内，所述滑轮上设有凹槽，所述约束拉绳与所述导向轮接触的绳段位于所述凹槽内；

所述第一基座固定安装在地锚上或者为所述第一基座安装预设配重后直接安装在地面上。

进一步的，所述拉绳收放部为发放绞盘，所述约束拉绳为绞盘系缆，所述发放绞盘包括用于缠绕所述绞盘系缆的容缆滚筒和第二基座，

所述容缆滚筒通过电机及减速器控制转动或刹车制动，能够双向转动，从而对所述绞盘系缆的收拢或释放；

所述第二基座固定在地面上，在所述第一约束装置释放后，所述球头部快速升起的过程中，所述第二基座固定不动。

进一步的，所述系统还包括切割装置，安装在与所述与高空气球尾部或所述降落伞尾部相连接的一端，用于在浮力转移完成后切割所述约束拉绳。

根据本发明第二实施例，提供了一种高空气球发放方法，包括：

将第一约束装置放置在上风向，并将高空气球从头至尾分为球头部和不成形段球体部，将所述球头部绕过所述第一约束装置，将不成形段球体铺平，连接部处于松弛状态；

向所述球头部充气，所述球头部逐渐抬起，所述不成形段球体部、降落伞及第二约束装置的约束拉绳逐渐绷紧；

当高空气球球体内充入预设量的浮升气体后，切断并密封充气管，解除所述第一约束装置，所述球头部带着不成形段球体部加速上升，直至立在第二约束装置的导向轮上方，此过程中，所述第二约束装置将所述球头的净浮力转移至吊舱及整个系统，连接部仍然处于松弛状态，根据球头部和不成形段球体部的偏移方向移动载有吊舱的移动部，使得所述移动部处于下风向位置；

释放所述第二约束装置的约束拉绳，所述球头部带动整个系统缓慢升高，在升高过程中，所述连接部逐渐绷紧，直至所述吊舱离开所述移动部；

当所述吊舱距离地面的高度达到预设高度时，切断所述约束拉绳，解除所述第二约束装置对高空气球的约束，在所述球头部内部浮升气体自由浮力作用下，所述系统将加速上升，完成发放操作。

进一步的，在第二约束装置将所述球头部的净浮力转移至吊舱及整个系统的过程中，根据风向的变化，实时调整移动板车部的位置，确保移动部处在下风向。

进一步的，所述当吊舱距离地面达到预设高度时，通过切断所述约束拉绳与高空气球尾部或所述降落伞尾部的连接，解除所述第二约束装置对高空气球的约束。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的一种高空气球发放系统和方法可达到相当的技术进步及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

本发明系统结构简单，便于控制，极大减小了高空气球发放过程对场地的要求，通过缓慢地浮力转移操作过程避免了发放过程中对有效载荷的冲击，在整个发放过程中，第二约束装置中的拉绳收放部对系统的持续约束，使得整个操作过程可控可逆，当地面风突然变大或出现系统故障后，可以随时停止发放操作，从而避免了不正常的系统升空，提高了高空气球的发放效率和安全性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的高空气球发放系统侧视图；

图2为本发明一实施例提供的高空气球发放系统俯视图；

图3为本发明一实施例提供的高空气球发放过程中解除第一约束装置球体快速升起示意图；

图4为本发明一实施例提供的高空气球发放过程中解除第一约束装置后球体直立状态示意图；

图5为本发明一实施例提供的高空气球发放过程中释放约束拉绳后系统状态示意图；

图6为本发明一实施例提供的高空气球发放过程中切断约束拉绳后系统状态示意图。

【符号说明】

1：高空气球 2：降落伞

3：连接部 4：吊舱

5：第一约束装置 6：第二约束装置

7：移动部 11：球头部

62：导向轮 61：约束拉绳

63：拉绳收放部 8：切割装置

具体实施方式

以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，以使本领域技术人员在阅读本说明书内容后可以实施本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。此外，所述附图并非严格依照实际比例大小进行绘制，也并不完整体现所述装置的形状或结构，而仅仅在于方便对本发明的精神和原理的理解，所以，在有些图中为了更加清楚地示出其中的结构而可能被局部或全部放大，并且在有些图中可能对部分结构给予省略以能更为清楚地表示出相应的技术方案。此外，应当明白，关于本方法的对本领域技术人员而言属于显而易见的部分内容，可能并没有在本文中予以重复，但是，这些内容属于本发明的必有内容，因而应当被并入构成本发明整体内容的一部分。

本发明实施例提供了一种高空气球发放系统，如图1和图2所示，包括依次连接的高空气球1、降落伞2、连接部3和吊舱4，还包括第一约束装置5和第二约束装置6，其中，第一约束装置5设置于所述高空气球1上，用于约束高空气球1，且将所述高空气球1从头至尾分为球头部11和不成形段球体部12。高空气球1到达飞行高度开始平飞时，内部充满浮升气体，一般是氦气或氢气，给系统提供升空和驻空的浮力。在地面充气及发放过程中，球体内的浮升气体体积很小，往往只占整个高空气球1体积的十分之一不到，随着气球高度增加，氦气膨胀，最后平飞时，高空气球1内几乎充满了氦气，为方便发放，一般将这些浮升气体约束限制在球头部11之内，更多的不成形段球体部12处于不成形状态。

本发明实施例系统结构简单，便于控制，极大减小了高空气球发放过程对场地的要求，通过缓慢地浮力转移操作过程避免了发放过程中对有效载荷的冲击，在整个发放过程中，第二约束装置6对系统的持续约束，使得整个操作过程可控可逆，当地面风突然变大或出现系统故障后，可以随时停止发放操作，从而避免了不正常的系统升空，提高了高空气球的发放效率和安全性。

第二约束装置6一端与所述高空气球1尾部或所述降落伞2尾部相连接，另一端安装在地面上，用于约束和控制所述高空气球1，在解除第一约束装置5后，能够缓冲所述球头部11释放过程对所述吊舱4造成的冲击，并将所述球头的净浮力转移至吊舱4及整个系统，控制球体直立，最终完成高空气球1发放，作为一种示例，第一约束装置5为约束滚筒。

作为一种示例，所述连接部3可为绳索结构、绳笼结构或绳梯结构等，用于将所述系统的整体扭转度控制在预设范围内。例如载荷需要方位控制的系统，连接部3可选用绳笼结构或绳梯结构，确保系统整体扭转刚度在预设范围内，而不需要方位控制的系统，则连接部3可使用绳索结构。

所述高空气球1装置还包括移动部7，用于承载和移动所述吊舱4。有效载荷一般装在吊舱4之内，吊舱4内还可安装有用于高空气球1平台飞行的控制元器件，配重，数据记录和传输等设备。吊舱4放置在移动部7之上，作为一种示例，移动部7可以为具有一定承载能力，且能够在发放场地上转弯和移动带脚轮的平板车，在发放过程中，将调整放置吊舱4的移动板车位置，确保发放安全。

如图2所示示例，所述第二约束装置6包括约束拉绳61、导向轮62和拉绳收放部63，所述导向轮62和拉绳收放部63均安装在地面上。所述约束拉绳61穿过所述导向轮62，一端与高空气球1尾部或所述降落伞2尾部相连接，另一端连接至所述拉绳收放部63。所述导向轮62用于调整所述约束拉绳61的受力方向，缓冲所述球头部11释放后对所述吊舱4造成的冲击。所述拉绳收放部63用于收放所述约束拉绳61，约束和控制所述球头部11的净浮力，并在所述第一约束装置5释放后调整整个系统的高度，确保浮力转移过程平稳可控。

作为一种示例，所述导向轮62是一个能改变约束拉绳61受力方向并确保约束拉绳61安全收放的装置，包括滑轮和第一基座，所述滑轮安装在所述第一基座上，能够在所述第一基座上摆动，从而使得气球高度的升高过程中，导向轮62的方向会随之变化。所述导向轮62的轮摆切点可位于所述第一约束装置5的中心切面内，以确保充气后的气球在浮升气体的浮力作用下不会在第一约束装置5上滑移。滑轮上设有凹槽，约束拉绳61与导向轮62接触的绳段位于所述凹槽内。以第二约束装置6与降落伞2尾部相连为例，在工作时，约束拉绳61一端绕过滑轮凹槽与拉绳收放部63连接，另一端与降落伞2连接。随着球头部11高度的变化，约束拉绳61与降落伞2的连接将从第一约束装置5之前的水平逐渐立起，直至最终接近垂直。在球头部11整个立起过程中，约束拉绳61与降落伞2之间的连接随球头部11升起过程逐渐摆动。第一基座固定安装在地锚上确保第一约束装置5解除后，球头部11内部浮升气体的浮力冲击通过导向轮62能够安全传递至第一基座，或者为所述第一基座安装预设配重后直接安装在地面上，确保它的稳固，配重与高空气球1系统总重或浮升气体总浮力有关，一般需数吨配重。

作为一种示例，所述拉绳收放部63为发放绞盘，所述约束拉绳61为绞盘系缆，拉绳收放部63设置在与不成形段球体部12垂直的地方，如图2所示，也可以设置在靠近第一约束装置5，处在上风向的等位置。所述发放绞盘包括用于缠绕所述绞盘系缆的容缆滚筒和第二基座。容缆滚筒通过电机及减速器控制转动或刹车制动，能够双向转动，从而对所述绞盘系缆的收拢或释放。第二基座固定在地面上，在所述第一约束装置5释放后，所述球头部11快速升起的过程中，所述第二基座固定不动。具体的，第二基座可固定在地锚或地面设施上，或者由重型车辆牵引，确保解除第一约束装置5，球头部11快速升起过程中，内部浮升气体的浮力在发放绞盘的安全承受范围内。

作为一种示例，所述系统还包括切割装置8，安装在与所述与高空气球1尾部或所述降落伞2尾部相连接的一端，用于在浮力转移完成后切割所述约束拉绳61。

本发明实施例还提供了一种高空气球发放方法，包括以下步骤：

S1、将第一约束装置5放置在上风向，并将高空气球1从头至尾分为球头部11和不成形段球体部12，将所述球头部11绕过所述第一约束装置5，将不成形段球体铺平，连接部3处于松弛状态。

S2、向所述球头部11充气，所述球头部11逐渐抬起，所述不成形段球体部12、降落伞2及第二约束装置6的约束拉绳61逐渐绷紧。

S3、当高空气球1球体内充入预设量的浮升气体后，切断并密封充气管，解除所述第一约束装置5，所述球头部11带着不成形段球体部12加速上升，直至立在第二约束装置6的导向轮62上方，此过程中，所述第二约束装置6将所述球头的净浮力转移至吊舱4及整个系统，连接部3仍然处于松弛状态，根据球头部11和不成形段球体部12的偏移方向移动载有吊舱4的移动部7，使得所述移动部7处于下风向位置。

S4、释放所述第二约束装置6的约束拉绳61，所述球头部11带动整个系统缓慢升高，在升高过程中，所述连接部3逐渐绷紧，直至所述吊舱4离开所述移动部7。

S5、当所述吊舱4距离地面的高度达到预设高度时，切断所述约束拉绳61，解除所述第二约束装置6对高空气球1的约束，在所述球头部11内部浮升气体自由浮力作用下，所述系统将加速上升，完成发放操作。

发放完成后，高空气球1高度升高，周围大气压逐渐减小，高空气球1内部的浮升气体逐渐膨胀，直至气球到达平飞高度达到浮重平衡状态后开始平飞。

作为一种示例，步骤S3中，在第二约束装置6将所述球头部11的净浮力转移至吊舱4及整个系统的过程中，可根据风向的变化，实时调整移动板车部的位置，确保移动部7处在下风向。

作为一种示例，步骤S5中，所述当吊舱4距离地面达到预设高度时，通过切断所述约束拉绳61与高空气球1尾部或所述降落伞2尾部的连接，来解除所述第二约束装6置对高空气球1的约束，预设高度可为1.5米。

以下以一具体示例对高空气球发放方法进行进一步说明：按照时间顺序，主要的过程包括：设备展开、充气、解除第一约束装置、浮力转移、切割发放过程。

(1)设备展开过程，具体包括：

设备按照图1和图2所示位置展开，先将第一约束装置5摆放在上风向，计算好高空气球1充气量，将高空气球1从头至尾分为球头部11和不成形段球体部12两部分，它们之间的分界线就是第一约束装置5的约束位置，将球头部11绕过第一约束装置5，将不成形段球体部12铺平，与降落伞2连接。降落伞2底部同时与连接部3和约束拉绳61连接，其中，连接部3与吊舱4连接，此时处于松弛状态，约束拉绳61绕过导向轮62与拉绳收放部63连接，在约束拉绳61与降落伞2之间的连接根部装有切割器，用于在浮力转移完成后，切割约束拉绳61。导向轮62的轮摆切点处在第一约束装置5的中心切面内，确保充气后的气球在浮升气体的浮力作用下不会在第一约束装置5上滑移。拉绳收放部63设置在与不成形段球体部12垂直的地方，或者靠近第一约束装置5，处在上风向的位置。移动部7放置在下风向，吊舱4与降落伞2之间的连接部3处于松弛状态。

需要说明的是，如果发放场地较小，还可以将约束拉绳61直接连接在不成形段球体部12与降落伞2之间，降落伞2与连接部3处于松弛或不受力状态。

(2)充气过程，具体包括：

具备发放条件后，开始进行充气操作，将浮升气体通过充气管充到球头部11中，随着充气量的增加，球头部11逐渐抬升，在浮升气体浮力作用下，不成形段球体部12、降落伞2及约束拉绳61将逐渐绷紧，浮升气体自由浮力通过不成形球体和降落伞2传递至约束拉绳61，最终由拉绳收放部63平衡系统自由浮力。

当高空气球1球体内充入所需浮升气体后，切断并密封充气管，将进入发放操作。

(3)打开第一约束装置5,具体包括：

发放过程是解除地面设备对升空飞行系统的约束过程。打开第一约束装置5，球头部11带着不成形段球体部12加速上升，直至立在导向轮62上方。此时，高空气球1净浮力由约束拉绳61平衡，连接部3仍然处于松弛状态，操作过程如图3所示。

当球头部11与不成形段球体部12立起来后，如图4所示，根据它们的偏移方向，移动载有吊舱4的移动部7，使其处在下风向位置。

(4)浮力转移过程，具体包括：

浮力转移过程是将球头部11的自由浮力转移至吊舱4上的过程。启动拉绳收放部63上的容缆滚筒，缓慢释放约束拉绳61，球头部11带动整个系统缓慢升高，如图5所示，在升高过程中，连接部3逐渐绷紧，直至吊舱4离开移动部7。在浮力转移过程中，可以根据当时风向的变化，实时调整移动部7的位置，确保其处在下风向。

当吊舱4离地1.5米左右时，完成浮力转移操作。

(5)切割发放过程，具体包括：

切割发放是整个发放过程的最后操作，是地面发放设备对飞行系统的最后约束解除过程。接通切割装置8的指令及电源，切断约束拉绳61与降落伞2底部的连接，解除约束拉绳61对整个系统的约束。切割后，在球头部11内部浮升气体自由浮力作用下，系统将加速上升，完成整个发放操作，如图6所示。

本发明实施例将极大减小了高空气球1发放过程对场地的要求，通过缓慢地浮力转移操作过程避免了发放过程中对有效载荷的冲击。在整个发放过程中，因拉绳收放部63对系统的持续约束，使得整个操作过程可控可逆，当地面风突然变大或出现系统故障后，可以随时停止发放操作，从而避免了不正常的系统升空。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。