一种高空气球飞行中的旋转阻尼系统
阅读说明：本技术 一种高空气球飞行中的旋转阻尼系统 (Rotary damping system in high-altitude balloon flight ) 是由 张泰华 王梓皓 付强 张冬辉 王谦 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飞行中的旋转阻尼系统,包括与气球约束结构相连接的张拉膜结构,所述张拉膜结构包括阻尼膜和包围所述阻尼膜边缘的阻尼膜横拉绳、阻尼膜竖拉绳以及阻尼膜斜拉绳,其中,阻尼膜横拉绳一端与阻尼膜斜拉绳一端相连接,形成第一连接点；阻尼膜横拉绳另一端与阻尼膜竖拉绳一端相连接,形成第二连接点；阻尼膜斜拉绳另一端与所述阻尼膜竖拉绳另一端相连接,形成第三连接点；所述第一连接点、第二连接点和第三连接点分别连接至所述气球约束结构。本发明为高空气球设计一种新的旋转阻尼结构,采用自然耗散做功的方式,将气球旋转过程中的动能逐渐耗散掉,减小或消除高空气球在飞行过程的旋转,使高空气球飞行方向趋于稳定。(The invention relates to a rotary damping system in high-altitude balloon flight, which comprises a tension membrane structure connected with a balloon constraint structure, wherein the tension membrane structure comprises a damping membrane, a damping membrane transverse pull rope, a damping membrane vertical pull rope and a damping membrane diagonal pull rope, wherein the damping membrane transverse pull rope, the damping membrane vertical pull rope and the damping membrane diagonal pull rope surround the edge of the damping membrane; the other end of the damping film transverse pull rope is connected with one end of the damping film vertical pull rope to form a second connection point; the other end of the damping film diagonal rope is connected with the other end of the damping film vertical pull rope to form a third connection point; the first, second and third attachment points are each attached to the balloon-restraining structure. The invention designs a novel rotary damping structure for the high-altitude balloon, adopts a natural dissipation acting mode to gradually dissipate kinetic energy in the rotating process of the balloon, reduces or eliminates the rotation of the high-altitude balloon in the flying process, and leads the flying direction of the high-altitude balloon to tend to be stable.)
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飞行中的旋转阻尼系统。
背景技术
高空气球又称高空科学气球，是指在平流层飞行的无动力浮空器。高空气球升空和飞行的工作原理根据阿基米德浮力定律和牛顿第二定律构建，气球在地面上充入密度小于空气的浮升气体，如氢气或氦气，使气球能以一定的速度上升。气球的上升速度通过自由浮力来控制，自由浮力是总浮力与系统重量之差。当气球接近升限时，整个气球已完全涨满，当气球继续上升时，零压式高空气球球体内用于产生自由浮力的那部分气体(也可称为多余气体)通过气球下部的排气管向外排气，以保持气球内外压力相等。超压式高空气球利用球体内的超压保持高度稳定。气球的体积根据载重能力和升限的要求不同而定，载重量越大，升限越高，要求体积越大。高空气球体积通常有几千立方米到几十万立方米，甚至超过百万立方米；载重量由几十公斤到上百公斤，甚至超过一吨；升限在20～45km，及至超过50km。
高空气球到达飞行高度后，即开始随风飘飞，飘飞的方向取决于该高度的风向。高空气球在飞行过程中都会存在轴向旋转，但很多载荷需要保持方向稳定，为使吊舱或载荷的方向稳定，一般都设计姿态稳定吊舱，主要使用飞轮和反捻电机的联合控制，确保吊舱或载荷的指向稳定。但这种带姿控的吊舱会因飞轮不可避免的质量增加了吊舱的重量，而且在控制过程中会持续消耗能源，持续的旋转也会造成反捻电机及其控制系统超负荷运转甚至系统不收敛。这种被动的控制也给高空气球吊舱的姿态控制带来了难度和不确定性。此外，传统上吊舱的姿态控制都是利用反捻电机对吊舱或载荷局部进行控制，控制的核心是使吊舱或载荷局部反向旋转，以抵消高空气球整体的旋转。这种控制过程中，需要电机及其作动机构一直处于工作状态，如果气球持续向一个方向转动，电机及其作动机构会持续加速，甚至超出电机转速之外。这给气球平台的长时间定向和飞行也带来了一定的难度。
发明内容
本发明目的在于，提供一种高空气球飞行中的旋转阻尼系统，为高空气球设计一种新的旋转阻尼结构，采用自然耗散做功的方式，将气球旋转过程中的动能逐渐耗散掉，减小或消除高空气球在飞行过程的旋转，使高空气球飞行方向趋于稳定。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高空气球飞行中的旋转阻尼系统，包括与气球约束结构相连接的张拉膜结构，所述张拉膜结构包括阻尼膜和包围所述阻尼膜边缘的阻尼膜横拉绳、阻尼膜竖拉绳以及阻尼膜斜拉绳，其中，
所述阻尼膜横拉绳一端与阻尼膜斜拉绳一端相连接，形成第一连接点；
所述阻尼膜横拉绳另一端与阻尼膜竖拉绳一端相连接，形成第二连接点；
所述阻尼膜斜拉绳另一端与所述阻尼膜竖拉绳另一端相连接，形成第三连接点；
所述第一连接点、第二连接点和第三连接点分别连接至所述气球约束结构。
进一步的，所述张拉膜结构还包括第一套袋、第二套袋和第三套袋，所述第一套袋套设在所述阻尼膜横拉绳上，所述第二套袋套设在所述阻尼膜斜拉绳上，所述第三套袋套设在所述阻尼膜竖拉绳上。
进一步的，所述气球约束结构包括气球斜拉绳、加强带、球底集束部和气球竖拉绳和刚性连接部，其中，
所述球底集束部位于气球底部；
所述加强带贯穿整个气球，并与所述球底集束部相连接；
所述气球斜拉绳均分布于气球四周，一端与所述加强带相连接，另一端与所述刚性连接部的第一端相连接；
所述气球竖拉绳一端与所述球底集束部相连接，另一端所述刚性连接部的第一端相连；
所述第一连接点连接至所述加强带，
所述第二连接点连接至所述球底集束部，
所述第三连接点连接至所述刚性连接部的第一端。
进一步的，所述阻尼膜为轻质高强且有气密性的织物材料，包括尼龙布、塑料布。
进一步的，所述刚性连接部为绳梯结构，所述绳梯结构包括第一绳梯竖绳、第二绳梯竖绳以及多个两端分别与所述第一绳梯竖绳、第二绳梯竖绳连接的绳梯横杆，其中，所述第一绳梯竖绳和第二绳梯竖绳为反捻编织绳索，所述绳梯横杆为刚性构件，所述阻尼膜斜拉绳与所述第一绳梯竖绳相连接，所述阻尼膜竖拉绳与所述第二绳梯竖绳相连接。
进一步的，所述绳梯横杆为木棍或碳纤维管。
进一步的，所述刚性连接部为绳笼结构，所述阻尼膜斜拉绳和阻尼膜竖拉绳分别连接至所述绳笼结构横截面对角线两端。
进一步的，还包括降落伞和吊舱，所述降落伞上端与所述刚性连接部的第二端连接，下端与所述吊舱相连接。
进一步的，在气球发放阶段，所述张拉膜结构处于未展开状态，所述气球斜拉绳和阻尼膜斜拉绳共同约束充气后不成形的气球；气球升空过程中，所述阻尼膜在所述阻尼膜周围的阻尼膜横拉绳、阻尼膜竖拉绳以及阻尼膜斜拉绳的张力作用下逐步展开，所述张拉膜结构减小或消除旋转气球旋转。
进一步的，在气球平飞过程中，所述阻尼膜处于绷紧状态，气球旋转角速度为ω＝dθ，在任意角度θ时，所述阻尼膜受到的气动阻力Fd为：
Fd＝0.5ρv2S＝0.5ρ(Δv+rdθ)2S (2)
其中，ρ是空气密度，r是阻尼膜几何中心与旋转轴之间的距离，S为阻尼膜面积，Δv为气球水平飞行速度与该高度的风速差，
整个系统的力学平衡方程为：
其中，J是系统转动惯量。
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飞行中的旋转阻尼系统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：
本发明为高空气球设计一种新的旋转阻尼结构，结构简单，成本低，采用自然耗散做功的方式，将气球旋转过程中的动能逐渐耗散掉，减小或消除高空气球在飞行过程的旋转，使高空气球飞行方向趋于稳定。
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为高空气球升空过程中的各部件侧视图；
图2为高空气球球头局部放大图；
图3为连接结构球体与绳索根部连接示意图；
图4为连接结构球底与绳索根部连接示意图；
图5为连接结构与刚性连接部连接示意图；
图6为球体旋转到最大角度示意图；
图7为球体旋转到任意角度示意图；
图8为球体旋转到最小阻力时的示意图。
【符号说明】
1：气球 10：气球约束结构
3：张拉膜结构 31：第一连接点
32：第二连接点 33：第三连接点
2：阻尼膜斜拉绳 8：阻尼膜横拉绳
9：阻尼膜竖拉绳 7：气球斜拉绳；
1-1：加强带 1-2：球底集束部
90：气球竖拉绳 3-1：第二套袋
3-2：第一套袋 3-3：第三套袋
3-4：阻尼膜 4：刚性连接部
5：降落伞 6：吊舱
11：第一绳梯竖绳 12：第二绳梯竖绳
13：绳梯横杆
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1飞行中的旋转阻尼系统，如图1和图2所示，包括与气球约束结构10相连接的张拉膜结构3，所述张拉膜结构3包括阻尼膜3-4和包围所述阻尼膜3-4边缘的阻尼膜横拉绳8、阻尼膜竖拉绳9以及阻尼膜斜拉绳2，其中，所述阻尼膜横拉绳8一端与阻尼膜斜拉绳2一端相连接，形成第一连接点31；所述阻尼膜横拉绳8另一端与阻尼膜竖拉绳9一端相连接，形成第二连接点32；所述阻尼膜斜拉绳2另一端与所述阻尼膜竖拉绳9另一端相连接，形成第三连接点33；所述第一连接点31、第二连接点32和第三连接点33分别连接至所述气球约束结构10。在气球1平飞旋转过程中，因气球1与当地风场之间的速度差及旋转角速度共同叠加，产生气动阻力，张拉膜结构3产生与旋转方向相反的气动阻力会持续耗散系统的旋转动能，减小系统旋转速度，直至消除气球1系统旋转。
如图2所示示例，所述气球约束结构10包括气球斜拉绳7、加强带1-1、球底集束部1-2和气球竖拉绳90和刚性连接部4，其中，所述球底集束部1-2位于气球1底部，球体集束装置是气球1中浮升气体浮力传递的核心部件，它将气球1浮力通过气球竖拉绳90传递给刚性连接部4；所述加强带1-1贯穿整个气球1，并与所述球底集束部1-2相连接；所述气球斜拉绳7均分布于气球1四周，一端与所述加强带1-1相连接，另一端与所述刚性连接部4的第一端相连接；所述气球竖拉绳90一端与所述球底集束部1-2相连接，另一端所述刚性连接部4的第一端相连；所述第一连接点31连接至所述加强带1-1，所述第二连接点32连接至所述球底集束部1-2，所述第三连接点33连接至所述刚性连接部4的第一端，可以理解的是，阻尼膜竖拉绳9与气球竖拉绳90可为同一根竖拉绳，张拉膜结构3位于气球斜拉绳7与球底及气球竖拉绳90构成的三角形区域中。
需要说明的是，阻尼膜斜拉绳2与气球斜拉绳7与气球1的相对位置相同，但作用和材质不同，气球斜拉绳7只承受拉力，阻尼膜斜拉绳2需要有一定的摩擦力，还有可能受到张拉膜结构3的张力。
如图4和图5所示示例，所述张拉膜结构3还包括第一套袋3-2、第二套袋3-1和第三套袋3-3，所述第一套袋3-2套设在所述阻尼膜横拉绳8上，所述第二套袋3-1套设在所述阻尼膜斜拉绳2上，所述第三套袋3-3套设在所述阻尼膜竖拉绳9上，在气球1成形后，阻尼膜3-4是一块张拉膜，套袋的作是将张拉膜中的应力传递到阻尼膜3-4周围的拉绳中，避免出现应力集中。
作为一种示例，所述阻尼膜3-4可为轻质高强织物且具有一定气密性的材料，包括尼龙布、塑料布等，阻尼膜3-4还可为具有一定承力能力的布或与气球1相同的材料。
如图5所示示例，所述刚性连接部4为绳梯结构，所述绳梯结构包括第一绳梯竖绳11、第二绳梯竖绳12以及多个两端分别与所述第一绳梯竖绳11、第二绳梯竖绳12连接的绳梯横杆13，其中，所述第一绳梯竖绳11和第二绳梯竖绳12为反捻编织绳索，反捻编织是绳索编织方式的一种，与顺捻相对应。反捻绳索的编织方式是：每股里面的丝线缠绕方向与每股缠绕方向相反，这种绳索在受力时不会产生扭转力。所述绳梯横杆13为刚性构件，所述阻尼膜斜拉绳2与所述第一绳梯竖绳11相连接，所述阻尼膜竖拉绳9与所述第二绳梯竖绳12相连接。其中，所述绳梯横杆13可以为木棍或碳纤维管等，球体集束装置将气球1浮力通过气球竖拉绳90传递给第一绳梯竖绳11和第二绳梯竖绳12，进而传递到绳梯结构。绳梯结构可以确保系统具有一定的旋转刚度。绳梯结构与阻尼膜3-4拉绳之间的连接如图5所示。
所述系统还包括降落伞5和吊舱6，所述降落伞5上端与所述刚性连接部4的第二端连接，下端与所述吊舱6相连接。
在系统装配过程中，阻尼膜横拉绳8与阻尼膜斜拉绳2穿过各自套袋后汇合到一起，与加强带1-1连接，如图3所示，阻尼膜横拉绳8和阻尼膜竖拉绳9分别穿过套袋后与球底集束部1-2连接，如图4所示。阻尼膜斜拉绳2和阻尼膜竖拉绳9穿过各自套袋后分别与绳梯中的两根纵向承力部件绳梯竖绳连接。连接降落伞5与阻尼膜3-4之间的核心承力部件是绳梯结构，它既能传递作用力，也有一定的刚度，可以保持整个系统旋转刚度，不至于因系统旋转而使连接绳索扭曲。
作为绳梯结构的变形，所述刚性连接部4也可为绳笼结构，绳笼结构是笼装绳索组，就是由多股绳索中间通过刚性件支撑，中间刚性件截面如果是圆形，就是圆柱状绳笼，中间截面还可以是四边形或多边形，所述阻尼膜斜拉绳2和阻尼膜竖拉绳9分别连接至所述绳笼结构横截面对角线两端，也可以中间增加一个法兰盘，上下都通过法兰盘连接。绳笼结构较为复杂，能传递的旋转扭矩更大，适合于大型高空气球1结构设计中使用
在气球1发放阶段，作为一种示例，高空气球1在地面充气完成后，球体内的气体体积仅占整个气球1体积的5％，甚至更低，这就使得在地面完成充气后，气球1仅头部有浮升气体，其他都不成形，不成形的球体处于集束状态。在系统安装完成后，所述张拉膜结构3处于未展开状态，由阻尼膜斜拉绳2与阻尼膜横拉绳8及阻尼膜竖拉绳9构成的近似三角形中，任意两个长度之和大于第三边，这就使得充气后气球1的浮力将通过阻尼膜斜拉绳2传递给绳梯结构。为此，沿气球1轴向均布的气球斜拉绳7和阻尼膜斜拉绳2一起将充气后不成形的气球1约束。
在气球1完成发放升空过程中，随着高度增加，气球1内部浮升气体逐渐膨胀，气球1底部的约束结构及阻尼膜3-4将逐渐展开，当气球1开始平飞时，气球1浮力逐渐转移到气球竖拉绳90与阻尼膜斜拉绳2共同承担，在这个过程中，阻尼膜3-4将完全展开，并因连接它的三个绳子阻尼膜斜拉绳2与阻尼膜横拉绳8及阻尼膜竖拉绳9的张力作用而逐步展开成为张拉膜结构3。气球1将依靠这个张拉膜结构3逐渐减小或消除旋转，直至稳定飞行。
在气球1平飞过程中，所述阻尼膜3-4处于绷紧状态，整个系统会随风飘飞，因系统有较大的集中质量，在随风飘飞过程中，气球1水平飞行速度不可避免地与该高度的风速存在差Δv，正是存在Δv使得气球1会随着风速风向的改变而改变。在飘飞过程中气球1系统也会发生旋转，这种旋转如果不消除，将持续进行，球体将旋转至最大角度，会极大影响载荷对地瞄准与观测，如图6所示。
气球1旋转角速度为ω＝dθ，在任意角度θ时，所述阻尼膜3-4受到的气动阻力Fd为：
Fd＝0.5ρv2S＝0.5ρ(Δv+rdθ)2S (1)
其中，ρ是空气密度，r是阻尼膜3-4几何中心与旋转轴之间的距离，S为阻尼膜3-4面积，Δv为气球1水平飞行速度与该高度的风速差。
整个系统的力学平衡方程为：
其中，J是系统转动惯量。
图7示出了球体旋转到任意角度示意图，图8示出了球体旋转到阻力最小时的示意图。
由此可知，气球1旋转阻尼效果主要与阻尼膜3-4气动阻力有关，为加快消除系统旋转，需增大阻尼膜3-4气动阻力，可以通过增大阻尼膜3-4面积实现，在同一套系统中，可增加阻尼膜竖拉绳9长度增大阻尼膜3-4面积，或者可以增大气球1直径与长度的比值，进而增大横拉绳长度来增大阻尼膜3-4面积。对于一些特殊需求的气球1而言，可以通过改变阻尼膜3-4三边长度以调整阻尼膜3-4面积，进而改变响应时间，可以通过改变三条拉绳套袋的伸缩改变阻尼膜3-4实际边长，进而改变阻尼面积。
本发明实施例为高空气球1设计一种新的旋转阻尼结构，结构简单，成本低，采用自然耗散做功的方式，将气球1旋转过程中的动能逐渐耗散掉，减小或消除高空气球1在飞行过程的旋转，使高空气球1飞行方向趋于稳定。
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。