一种浮空气球高度调节装置及浮空气球系统

技术领域

本发明涉及浮空气球技术领域，具体涉及一种浮空气球高度调节装置及浮空气球系统。

背景技术

在使用气球等浮空器开展高空科学试验时，常常需要在一定高度范围内漂浮驻留。但由于浮重失衡、太阳辐射、上升下沉气流等因素的影响，浮空气球经常偏离预定高度区间，因此需要进行高度的调节。常规的高度调节方法有：放浮升气体、抛压舱物等。当浮空气球高于预设高度时，可通过放弃部分浮升气体从而使系统趋于向下运动；当浮空气球低于预设高度时，可通过抛压舱物从而使系统趋于向上运动。但使用这些调节高度方法的装置其作用是单一的，只能进行向上或者向下一个方向的调节，因此在应用中常常需要两个以上不同功能的装置协同工作，操作较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种可进行向上及向下两个方向调节浮空气球高度的浮空气球高度调节装置及浮空气球系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种浮空气球高度调节装置，包括：

机体，通过一连接杆与浮空气球连接；

机翼部，与所述机体活动连接，且可绕水平方向上的轴线旋转或锁定；

控制部，设于所述机体内，用于根据浮空气球的高度位置信息控制所述机翼部旋转或锁定；

所述机翼部包括至少一组对称设置的机翼，所述机翼具有第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面的表面形状不同。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述连接杆为旋转轴，所述旋转轴的上端与所述浮空气球连接，旋转轴的下端与所述机体活动连接，且机体可绕旋转轴旋转。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述机翼部设于所述机体的一端，所述机体的另一端固定连接有沿垂直方向设置的风向翼。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述旋转轴与机体的连接点大体位于机体的重心处，更优选的，所述旋转轴与机体的连接点位于机体的重心处。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述机体的重心处下方还设有配重体。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述连接杆的长度为L1，所述机翼部对称设置的所述机翼两端之间的距离为L2，且L1＞L2。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述控制部包括：

控制板，用于接收来自定位单元的高度位置信息，并根据接收到的高度位置信息控制所述机翼部旋转或锁定；

定位单元，用于获取浮空气球的高度位置信息并发送至控制板。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述机翼的第一表面为近似平面，更优选的，所述机翼的第一表面为平面，所述机翼的第二表面为向外拱起的凸面。

上述的浮空气球高度调节装置，优选的，所述第二表面的拱起部设置于所述机翼远离所述机体的一端。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种浮空气球系统，所述浮空气球系统包括浮空气球和上述的浮空气球高度调节装置，所述浮空气球高度调节装置通过连接杆与所述浮空气球的球柄连接。

上述的浮空气球系统，优选的，所述浮空气球系统还包括用于探测高空信息的高空科学仪器，所述高空科学仪器悬挂于所述配重体的下方。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的机翼部可绕位于水平方向上的轴线旋转或锁定，且机翼具有表面形状不同的上下表面，因此机翼部具有两种工作状态，当机翼部旋转至第一表面在上、第二表面在下时并锁定，处于状态一，当机翼部旋转至第二表面在上、第一表面在下时并锁定，处于状态二，机翼部通过绕水平方向上的轴线旋转可实现状态一和状态二之间的切换，由于第一表面和第二表面的形状不同，当高空风通过机翼部时，等质量空气同时通过机翼第一表面和第二表面时，会在机翼上下方形成不同流速，从而产生压强差，使装置受到压强差方向的合力，从而带动浮空气球进行高度调节，当浮空气球需要上升或下降时，仅需使机翼部旋转切换状态即可，因此可以进行向上及向下两个方向来调节浮空气球的高度。

2.本发明的高度调节装置设有风向翼，在受到高空风影响时，其能带动机体围绕旋转轴转动，使风向翼的翼面与高空风向平行，从而保证机翼部的机翼始终位于迎风面上，最大化的利用高空风。

3.本发明的浮空气球系统设有高度调节装置，因此能够维持在预定高度区间漂浮，可通过持续的向上或向下调整，来调控自身的漂浮高度。

附图说明

图1是实施例的浮空气球高度调节装置处于状态二时的立体结构示意图。

图2是实施例的浮空气球高度调节装置处于状态一时的立体结构示意图。

图3是实施例的浮空气球系统的立体结构示意图。

图4是实施例中控制部的示意图。

图例说明：

1、旋转轴；2、机体；21、控制板；22、定位单元；23、电源；24、电机；25、旋转锁定机构；3、风向翼；4、机翼部；41、第一机翼；42、第二机翼；5、配重体；6、滚珠轴承；7、浮空气球；71、球柄；8、高空科学仪器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

如图1至图3所示，本实施例的浮空气球系统包括浮空气球7和浮空气球高度调节装置，浮空气球高度调节装置通过连接杆与浮空气球7的球柄71连接。

本实施例的浮空气球高度调节装置，包括：

机体2，通过一连接杆与浮空气球7连接，具体的，机体2呈水平布置的圆柱形；

机翼部4，与机体2活动连接，且可绕水平方向上的轴线旋转或锁定，具体的，机翼部4可绕机体2的水平中轴线旋转，在旋转到位后可进行锁定；

控制部，设于机体2内，用于根据浮空气球7的高度位置信息控制机翼部4旋转或锁定，具体的，控制部的元器件置于机体2的内腔中；

机翼部4包括一组对称设置的机翼，机翼具有第一表面和第二表面，第一表面和第二表面的表面形状不同，具体的，机翼部4包括第一机翼41和第二机翼42，第一机翼41和第二机翼42分别设置在机翼部4的两侧并向外延伸，且第一机翼41和第二机翼42均具有第一表面和第二表面，第一表面和第二表面具有在等量气流通过时能够产生压差的不同表面形状。

本实施例的机翼部4锁定时，机翼保持水平，由于机翼部4可绕水平方向的轴向旋转，因此机翼部4可在两种工作状态之间转换，当第一机翼41和第二机翼42的第一表面在上、第二表面在下时并锁定，处于状态一；当第一机翼41和第二机翼42的第二表面在上、第一表面在下时并锁定，处于状态二。由于机翼上表面和下表面的形状不同，因此能够产生压力差，从而进行高度调节。

本实施例中，连接杆为旋转轴1，旋转轴1的上端与浮空气球7连接，旋转轴1的下端与机体2活动连接，且机体2可绕旋转轴1旋转。具体的，旋转轴1的上端与浮空气球7的球柄71连接，整个装置因此随浮空气球7移动并可将装置在竖直方向上的受力传递到浮空气球7，球柄71采用柔性材料，当浮空气球7的中轴线偏移铅垂线时，旋转轴1仍可保持竖直方向；旋转轴1的下端通过滚珠轴承6与机体2转动连接，因此机体2可以绕旋转轴1的轴线旋转，此处的连接方式不局限于本实施例，只要能够实现机体2可绕旋转轴1转动即可。

本实施例中，为了使机体2围绕旋转轴1的旋转更加灵活，旋转轴1与机体2的连接点位于机体2的重心处，即使旋转轴1和机体2的连接处与机体2的重心点重合。

本实施例中，机翼部4设于机体2的一端，机体2的另一端固定连接有沿垂直方向设置的风向翼3，风向翼3用于使机翼部4的机翼位于迎风面。具体的，风向翼3为具有垂直方向的翼面的垂直风向翼，本实施例采用的是沿机体2一端上表面延伸的矩形垂直风向翼，但风向翼3的形状和位置不局限于此，如可在机体2的上表面突起，也可在下表面突起，或者上下表面均突起，形状可以是矩形，也可以是菱形、后掠翼型、三角形。本实施例的风向翼3在受到高空风影响时，带动机体2围绕旋转轴1转动，使风向翼3的翼面与高空风向平行，从而使机翼部4的机翼始终处于迎风面上，使高度调节更加灵敏。

本实施例中，机体2的重心处下方还设有配重体5。当浮空气球7受到高空风影响时，会顺着风向方向偏移，其中轴线偏离铅垂线，若本装置的自身重量不够，浮空气球7可能带动连接球柄71的旋转轴1偏离铅垂线，从而使机翼面偏离水平面，为了克服这一问题，本实施在机体2的重心处的下表面安装有配重体5，使整个装置有足够的重量，同时由于旋转轴1与浮空气球7的连接处为球柄71，而球柄71为柔性材料，从而使机翼面仍保持在水平面状态。具体的，本实施例使用锥形的配重体5。

本实施例中，连接杆的长度为L1，机翼部4对称设置的机翼两端之间的距离为L2，即两机翼翼尖之间的翼展距离为L2，且L1＞L2。一般情况下，由于浮空气球7内部的浮升气体的作用，浮空气球7呈上圆下尖的形状，其底部的球皮趋于向中心靠拢，使球身不易被旋转的机翼刮擦而造成气球的破坏。但为了防止在大风或者下沉气流时，机翼旋转过程中对浮空气球7造成刮擦，破坏浮空气球7球身，使机翼翼展距离L2小于连杆杆的长度L1。

本实施例中，浮空气球系统还包括用于探测高空信息的高空科学仪器8，高空科学仪器8悬挂于配重体5的下方，高空科学仪器8为现有技术中可以进行高空数据采集的仪器，将其连接在配重体5的下方，保证有足够的重量使第一机翼41和第二机翼42仍保持在水平面状态。

如图4所示，本实施例中，控制部包括：

控制板21，用于接收来自定位单元22的高度位置信息，并根据接收到的高度位置信息控制机翼部4旋转或锁定，具体的，控制板21根据预设条件控制电机24，通过电机24驱动旋转锁定机构25从而控制机翼部4的旋转及锁定，实现工作状态的切换；

定位单元22，用于获取浮空气球7的高度位置信息并发送至控制板21，具体的，定位单元22可以是直接通过BD/GPS等卫星定位获取高度位置信息，也可以通过400MHz、ZigBee协议、蓝牙、2.4GHz频段等无线技术的近程通信方式与高空科学仪器8进行近程通讯获取高度位置信息，本实施例的定位单元22利用ZigBee协议与下方的高空科学仪器8交换数据，获取高度位置信息，并将信息发送给控制板21；

电源23，用于为控制板21、定位单元22和电机24供电；

电机24，用于驱动旋转锁定机构25转动；

旋转锁定机构25，用于在电机24的驱动下带动机翼部4旋转或锁定，使机翼部4在状态一和状态二之间切换，现有技术中能够实现上述旋转或锁定功能的机构均可用于此。

本实施例中，机翼的第一表面为平面，机翼的第二表面为向外拱起的凸面，且第二表面的拱起部设置于机翼远离机体2的一端。具体的，机翼的截面呈现前端圆钝、后端尖锐的形状，且一面较平，另一面拱起。当机翼部4处于状态一时，机翼面呈水平走向，上表面较平、下表面拱起；当机翼部4沿机体2的中轴线旋转180°并锁定时，机翼部4处于状态二，此时机翼面呈水平走向，下表面较平、上表面拱起。状态一和状态二可分别调节浮空气球7上升或下降，通过切换工作状态，使浮空气球7稳定在预设的漂浮高度。

由于浮空气球7时刻受到高空风的影响，不同高度层的高空风的风向不定，而风速可达到20米/秒以上。本实施例浮空气球高度调节装置的风向翼3受到高空风影响时，带动机体2围绕旋转轴1转动，使垂直风向翼3的翼面与高空风向平行，此时机翼部4的机翼位于迎风面上。

由于浮空气球7的迎风面积巨大，受阻力影响，其水平方向的位移速度比高空风的风速小，位于浮空气球7下方随浮空气球7移动的高度调节装置仍会受到相对风速的影响。

本实施例的高度调节装置，当机翼部4处于状态一时，等质量的空气同时通过机翼上表面和下表面时，会在机翼上下方形成不同流速，空气通过机翼下表面流速大，压强较小，通过上表面时流速小，压强较大，因此高度调节装置会受到一个向下的合力，带动浮空气球7趋于下降。

当机翼部4围绕机体2的水平中轴线旋转了180°并锁定时，机翼部4处于状态二，等质量的空气同时通过机翼上表面和下表面时，会在机翼上下方形成不同流速，空气通过机翼上表面流速大，压强较小，通过下表面时流速小，压强较大，因此高度调节装置会受到一个向上的合力，带动浮空气球7趋于上升。

本实施例的浮空气球高度调节装置根据定位单元22提供的高度位置信息，通过旋转机翼部4使之处于不同的工作状态，可以调节机翼受力的方向，高度调节装置在竖直方向的受力作用可通过旋转轴1传递给浮空气球7，浮空气球7在空中漂浮驻留时，其浮力重力大体处于平衡状态，当遇到太阳辐射、上升下沉气流等因素影响导致浮力重力失衡时，也仅需要较小的力便可以恢复平衡。例如750g浮空气球在高空浮空驻留时失衡后，仅仅需要0.5N～1N的力即可重新平衡。因此，可以通过使用合适的机翼大小及数量，可向上或向下调节浮空气球7的高度范围。

例如浮空气球7的高度范围位置在20000米±1000米。当浮空气球7接近所需高度的范围下限时，则定位单元22获取高度信息并发送给控制板21，控制板21根据预设条件控制电机24，通过电机24驱动旋转锁定机构25从而控制机翼部4处于状态二，使浮空气球7获得向上的合力；而当浮空气球7接近所需高度的范围上限时，基于同样的方式使机翼部4处于状态一，使浮空气球7获得向下的合力；即使浮空气球7在这一高度范围内来回运动，从而维持合适的高度。

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。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。