一种飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置的制作方法

本实用新型涉及轻于空气的飞行器技术领域，尤其涉及一种飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置。

背景技术：

飞艇是一种主要依靠气体浮力来克服自身重力的飞行器，一般包括充满浮升气体的一个或多个封闭气囊、可以改变推力方向的推进系统、安装在飞艇尾部、用于调整飞行姿态的控制机构（如尾舵、尾部矢量推力等）和用于挂载设备或乘员的吊舱（或吊篮）。

当飞艇采用传统的布局方式时，飞艇的重心是基本固定的。由于飞艇要求能够垂直起降和巡航飞行，因此，一般采取将飞艇重心配置在飞艇浮心之前的方式，来兼顾这两种飞行状态。采用这种重心配置方式，使得飞艇飞行时，其推力系统在克服飞艇的阻力的同时还要克服飞艇的低头趋势，不利于发挥推力系统的效率。

传统的飞艇姿态的调整方法是依赖于飞艇飞行时作用在尾舵上的空气动力来调整飞艇的俯仰/偏航姿态，或依靠尾部矢量推力装置产生的俯仰/偏航力矩调整飞艇的姿态。当采用尾舵面调整姿态时，这种作用是被动的，即只有当飞艇有一定的飞行速度时才起作用，不适用于飞艇的垂直起降。当采用尾部矢量推力时，需要消耗比较多的能量才能产生足够的调整力矩，同时也显著增加了重量。因此，传统的姿态调整机构可以认为是有局限的、低效的。如现有专利cn201821871318.7平流层飞艇姿态调整装置和cn201811351595.x平流层飞艇姿态调整装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种通飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置，利用阀门切换和液体循环，可实现液体在头、尾间的来回输送，以达到俯仰姿态的调整。

本实用新型的技术方案是：一种飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置包括分别在飞艇头部、腹部和尾部设置的头部空腔、腹部空腔和尾部空腔，所述头部空腔、腹部空腔和尾部空腔内放置有液体；

所述装置还包括设置在腹部的控制器及与所述控制器电连接的阀门机构和液体泵；

所述阀门机构包括与所述液体泵并联的截止阀，所述截止阀和液体泵的一端均通过各自的管路与所述腹部空腔连通，所述截止阀和液体泵的另一端均通过各自的管路与同一个换向阀在所述头部空腔和尾部空腔之间切换；

所述腹部空腔还设有将其内的液体排出飞艇外的放液管路。

上述方案利用安装在飞艇头部附近、尾部附近和飞艇腹部的足够大的液体空腔，通过液体循环泵送，改变飞艇头部、尾部处液体空腔内液体的重量达到调整飞艇俯仰姿态的目的。

优选的，所述放液管路自液体泵向飞艇外延伸，所述放液管路上设有放液阀。

利用泵送及阀门机构将飞艇的液体排除系统外，达到减轻重量，提高重心位置的作用。

优选的，所述液体泵的管路上设有防止头部空腔和尾部空腔的液体流向腹部空腔的泵体单向阀。

优选的，还包括用于测量所述液体泵管路上的液体流量的流量传感器和用于测量腹部空腔内液面高度的液位传感器。

优选的，所述飞艇临近腹部空腔的下方设有吊舱，控制器和阀门机构设于所述吊舱内。

优选的，所述液体的总体积小于头部空腔、腹部空腔和尾部空腔的体积之和。

优选的，所述截止阀和放液阀均为开关阀门。

优选的，所述头部空腔、腹部空腔和尾部空腔为安装在飞艇的的囊体内部的软式袋子，或安装在囊体外表面的硬质空腔或软式袋子。

优选的，所述液体为凝固点低、流动阻力小的液体。

优选的，在所述腹部空腔上设有用于确保容腔内外压力平衡的通气孔。

与相关技术相比，本实用新型的有益效果为：

一、采用液体循环方案，该技术方案设备功能单一，结构简单，在静止飞行状态下也能够进行飞艇俯仰姿态的调节，且调整的效果只与泵送液体在头尾两侧重量有关，与外界环境变化无关，控制简单，适用范围广，能够适应地面、空中、平流层各个环境；

二、利用阀门机构模式切换，可通过两根分别连接头尾的管路（前段管路和后段管路）实现双向输送以及快速将液体排出，所有电气设备均集中在吊舱内，便于进行环境控制，对于设备的环境适应性要求低，可实现性高。

附图说明

图1为本实用新型提供的飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置的原理图。

附图中，100-飞艇、101-囊体、102-吊舱、201a-头部空腔、201c-腹部空腔、201b-尾部空腔、202-液体、203a-前段管路、203b-后段管路、203c-放液管路、203d-第一管路、203e-第二管路、204-阀门机构、204a-换向阀、204b-放液阀、204c-截止阀、204d-泵体单向阀、205-液体泵、206a-流量传感器、206b-液位传感器、207-控制器。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1~2所示，本实施例提供的一种飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置包括分别在飞艇100头部、腹部和尾部设置的头部空腔201a、腹部空腔201c和尾部空腔201b，所述头部空腔201a、腹部空腔201c和尾部空腔201b内放置有液体202。

所述头部空腔201a、腹部空腔201c和尾部空腔201b可以为安装在飞艇100的囊体101内部相应位置的软式袋子，也可以为安装在囊体101外表面的硬质空腔和软式袋子。安装在囊体101外表面的方式不会对本装置的效果产生影响，但会影响飞艇100的气动效果。各液体空腔的容积根据飞艇的大小、所需完成的飞行任务和调整姿态时希望达到的效果来设置。

所述液体202可以是加入防冻液的水，避免低温时结冰而影响流动。也可以是其它凝固点较低、流动阻力小的液体。所述液体202的总体积小于头部空腔201a、腹部空腔201c和尾部空腔201b的体积之和。

所述装置还包括设置在所述飞艇的腹部空腔201c的下方的吊舱102内的控制器207、阀门机构204、液体泵205、流量传感器206a和液位传感器206b。所述阀门机构204、液体泵205、流量传感器206a和液位传感器206b与所述控制器207电连接。

所述阀门机构204用于控制液体202在各管路内的流动，达到液体在各空腔内移动的效果。所述液体泵205须与管路相适应，并接收调整控制器207的控制。所述阀门机构204包括换向阀204a、放液阀204b、截止阀204c、泵体单向阀204d。

所述腹部空腔201c通过第一管路203d依次连通泵体单向阀204d、流量传感器206a，所述腹部空腔201c通过第二管路203e连通有截止阀204c。所述第一管路203d和第二管路203e并联，所述第一管路203d和第二管路203e的另一端通过所述换向阀204a在所述头部空腔201a和尾部空腔201b之间切换。所述第二管路203e的另一个末端设有放液管路203c。所述第一管路203d用于将腹部空腔201c的液体泵送到头部空腔201a和尾部空腔201b中，所述第二管路203e用于将头部空腔201a和尾部空腔201b的液体回流至腹部空腔201c中，通过模式切换，能够控制液体泵205液体输送方向在头部空腔201a、尾部空腔201b之间切换，还可以通过模式切换，利用重力使头部空腔201a、尾部空腔201b的液体202返回至腹部空腔201c内。

所述放液管路203c自液体泵向飞艇外延伸，所述放液管路203c上设有放液阀204b。所述放液管路203c用于将腹部空腔201c中的液体排出飞艇外，减轻飞艇重量，增加浮力，改变飞艇重心位置。

所述换向阀204a采用二位三通阀门，用于腹部空腔201c液体连通方向在头部空腔201a和尾部空腔201b之间切换，换向阀204a通过前段管路203a与头部空腔201a连通，换向阀204a通过后段管路203b与尾部空腔201b连通。所述前段管路203a和后段管路203b可设置在飞艇100的囊体101内，也可以设置在囊体101外表面。管路的管径由调整所需的流速和流量确定。

所述放液阀204b采用开关阀门，用于打开或者关闭通往舱外的放液管路203c出口。所述截止阀204c采用开关阀门，用于打开或者关闭返回腹部的液体通往腹部空腔201b的第二管路203e，泵体单向阀204d用于阻止液体泵205出口液体返回腹部空腔201c。

所述流量传感器206a用于测量所述液体泵205管路（第一管路203d）上的液体流量。所述液位传感器206b安装在腹部空腔201c内，用于测量腹部空腔201c内液面高度，并计算得到腹部空腔201c内的液体容积。

所述控制器207用于接收飞艇的姿态信号、流量传感器206a、液位传感器206b测得的液体流量、流速及液位信息，通过解算，输出控制信号控制液体泵205动作，实现液体在本装置内的移动，从而调整飞艇的重心和姿态。

本实用新型提供的飞艇俯仰平衡及重心位置调整的装置的调节飞艇俯仰姿态的控制方法，包括以下步骤：

1）根据平流层飞艇载重能力、飞行速度和姿态变化范围，计算出姿态调整系统液体的总重量；

2）将所有液体装入平流层的腹部空腔内；

3）设定好平流层飞艇的俯仰姿态阀值，如上限值：δ0=15°，下限值δ1=-15°；

4）飞艇的俯仰姿态通过采用陀螺或组合导航仪测量采集，采集到目前飞艇的俯仰姿态角为δ,当姿态角超出阈值时，采用微分方法计算出姿态角变化的速度及加速度，通过数学模型迭代的方式计算出飞艇所需平衡重量值x，当x为正时，飞艇需要向尾部方向增加重量|x|；当x为负时，飞艇需要向头部方向增加重量|x|；

5）飞艇向头部或尾部增加重量的工作步骤为：a、换向阀204a切换至前段管路203a或后段管路203b；b、打开液体泵205的开关，转速为定值可根据需求设定；c、液体202由腹部空腔201c移动至头部空腔201a或者尾部空腔201b；d、流量传感器206a、液位传感器206b、通过重量计算得到增加重量值y（头部为负、尾部为正），当|x|-y=0时，液体泵205开关关闭，换向阀204a回到初始状态。

在进行上述的姿态调平控制方法时，所述液位传感器206b感应腹部空腔201c内的液面高度，并计算输出液体体积。如腹部空腔201c内液体重量小于压舱物要求最低重量时，可通过重力回液(也可使用动力装置回抽)的方式将位于高处的头部空腔201a或尾部空腔201b内的液体回收到腹部空腔201c中，具体操作步骤为：

1）根据头部空腔和尾部空腔的液体重量模型，计算出两端可同时回收液体重量a；

2）设定液体回收工作模式阈值为a；

3）液体回收的执行步骤为：a、换向阀204a切换至前段管路203a或后段管路203b；b、截止阀204c开启；c、直到液位传感器206b测到的液体增加重量到达a/16；切换至尾部回收液体工作模式；直到液位传感器206b测到的液体增加重量到达a/16；d、按照以上程序循环8次，回收工作完成，其中循环次数为人工判断预设值，切换频率越高对飞艇姿态的振荡影响越小。

所述装置可将腹部空腔201c内液体排出飞艇外，来调节飞艇的浮力，改变中心高度位置，具体操作步骤如下：

1）根据飞行控制模型，计算出所需排出液体重量c；

2）设定排出液体重量阈值为c；

3）排出液体的执行步骤为：a、放液阀204b打开；b、液体泵205开关打开，转速为定值可根据需求设定排出液体速度；c、液体202由腹部空腔201c移动至吊舱外排出；d、流量传感器206a、液位传感器206b、通过重量计算得到减少重量值d,当c-d=0时，液体泵205开关关闭，放液阀204b回到关闭状态。

本装置只在腹部空腔一处位置设置了液体泵，通过阀门切换完成的整个输送液体工作，系统设计简单、可控性高、产品化易于实现。且所述腹部空腔上设置有用于确保容腔内外压力平衡的通气孔，该设计充分考虑了高海拔、低气压、低温环境对整套系统的影响，另外，将所有电控设备集成在腹部空腔下方的吊舱内，具有很强的工程实现性。

另外，阀门机构可增加冗余设计，增加为两个换向阀，将压力供液和重力回液管路互为备份切换，或者将液体泵设计成一主一备，主备液体泵上均设置有单向阀，以提高设备可靠性的技术方案都属于本实用新型保护范围。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。