1.本发明涉及浮空器充气技术领域，尤其涉及一种用于多个浮空气球同时放飞时所应用的兼具减压与大质量流量的安全快速充气系统设计。
背景技术：2.利用多个临近空间浮空平台组网实现对地覆盖，可以发挥临近空间浮空气球的巨大优势，在对地通信、监测、网络覆盖等领域具有重要的应用价值。多个浮空气球可以克服单个气球带载能力差，覆盖范围小等问题，
3.多个浮空气球的准备工作需要人力准备气源、充气设备以及放飞场地等。在有利于气球飞行的窗口期内需要完成多个浮空气球的快速放飞和部署，需要减少放飞气球前的准备工作时间。本发明所述设备能够实现多个气球的快速与无人化放飞操作。其中所述高压气瓶可作为气源长时间存储气体，充气管路及其减压阀门设计减少了压缩气体对囊体的冲击，遥控系统实现多个浮空气球充气放飞过程的实时操作，减少了对场地和人力的需求。
技术实现要素：4.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
5.可用于兼具快速与大质量流量的安全快速充气系统由高压储气瓶、高压管路、减压阀门、低压管段、电动阀、充气控制系统、分离装置、加热装置、气球囊体组成。
6.其中，所述高压储气瓶由内胆和外部的碳纤维缠绕层组成。
7.其中，所述高压管路与低压管路采用不锈钢防爆挠性管。
8.其中，所述减压阀门为二级减压阀门，满足35g/s以上的快速大质量流量气体充气且将管路末端出口压力降至1mpa以下。
9.其中，所述电动阀门由充气控制系统控制，适用压力0～10bar，动作时间小于8s，适应介质温度-9～90摄氏度。
10.其中，所述充气控制系统由电源、发射端、接收端接收端信号处理模块构成。所述无线设备发射与接受端使用zigbee协议模块，可同时满足50个以上的气球放飞需求，所述控制系统发射端接收端电源均由24v供电，可使用24v锂电池供电，便于携带。所述信号处理模块采用kinetis kea128芯片作为主控处理接收端信号控制电动阀以及分离装置启动，能够降低成本和功耗。
11.其中，所述连接装置包括爆炸螺栓、橡胶圈、安装法兰、密封胶、密封罗圈、单向阀与风袋组成，其中，外部充气管路与安装法兰之间通过橡胶圈进行固定橡胶圈与安装法兰之间的分离面，爆炸螺栓则用于根据信号线指令将分离装置从分离面分成两个部分，爆炸螺栓分离后，气球即可起飞。
12.优选的，所述气球囊体材料满足轻量化、高比强度、气密性好、环境适应性强、抗撕裂性及耐揉搓性能优异、加工工艺适应性强的要求，因此，所述囊体材料由多个功能层复合而成，包括耐候层、阻隔层、中间层、承力织物构成，在实现轻量化的同时兼具高气密性、热
量阻隔、辐射阻隔等功能。
13.其中，所述气体加热装置主要分为瓶内加热和管道内加热两部分。高压气瓶内部采用加热丝来给瓶内氦气进行恒功率加热；充气管路中对管内氦气进行二次加热，采用“吹风机”式加热方式，管道直径扩大后，使用加热丝在管内加热流过的氦气，之后充气软管流向囊体内部。
14.本发明所提供的用于多个浮空气球同时放飞时所应用的兼具减压与大质量流量的安全快速充气系统设计与现有技术相比，具有以下优点：
15.(1)能够解决一对多的浮空气球充气控制问题，实现多个浮空气球的实时充气控制。且对放飞场地要求不高，无需气源，所述的放飞设备能够长时间存储，便于运输，方便在不同区域之间实现浮空气球部署。
16.(2)能够实现浮空气球的安全快速充气，保护囊体免受高压气体冲击而被破坏。充气时间短，充分有效利用适合浮空气球放飞的窗口期。
17.(3)能够实现气体的压力和质量流量控制，解决气体在膨胀过程中产生的温度下降问题。除浮空气球外，该充气系统可用与多个场景下多种充气式浮空器的设计中。
18.(4)浮空器使用该充气系统及连接机构设计时，所需的配件与管路阀门等均为常规零件，将成本控制在较低水平，有助于大规模的使用。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的一种兼具减压与大质量流量的安全快速充气系统设计；
20.图2为本发明实施例提供的充气管路与囊体连接剖面示意图；
21.图3为本发明实施例提供的充气控制模块及其执行机构示意图；
22.图中，1-高压气瓶，2-三通，3-高压管段、4-四通、5-低压管段、6-二级减压阀、7-加热装置、8-电动阀、9-充气软管、10-飞控系统、11-控制线束、12-分离装置、13-爆炸螺栓、14-橡胶圈、15-密封胶、16-安装法兰、17-密封罗圈、18-单向阀、19-气路螺母、20-内部充气管路、21-风袋。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
24.在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的特征。附图以简化和示意性的方式呈现，并且其中的特征不一定按比例绘制。
25.图1展示了整个充气系统的具体连接方式，图1展示了包括具有附接装置的高压气体瓶1所连接的管路以及高压管段分支的三通2，高压气瓶内部采用加热丝来给瓶内氦气进行恒功率加热，加热功率为16kw-20kw。其中高压管段分为高压管段的两个分支。高压管段通过两级减压阀与低压管段相连接，而另一支高压管段则通过四通将其分为三个额外的分支并于两级减压阀相连接。该设计能够实现充气过程的质量流量可控。进一步，所述两级减压阀能够将高压气瓶气体将至出口压力不大于10bar，而所述高压气瓶出气口处气压应不大于70mpa。
26.低压管段在末端由四通汇流后与后续低压管段通过三通相连接，最终汇流至通向
囊体内部的充气管路。在低压管段外部安装加热装置以加热管道内部气体，外部加热功率为16-20kw，气瓶内部与管道加热总功率不超过35kw。在低压管段与气球之间安装电动阀，该电动阀门由充气控制系统控制，适用压力0～10bar，动作时间小于8s，适应介质温度-9～90摄氏度电动阀门由充气控制系统控制，适用压力0～10bar，动作时间小于8s，适应介质温度-9～90摄氏度。
27.低压管段与囊体之间通过分离装置连接，末端充气管路利用充气软管伸入囊体内部，气管末端为一种穿孔的薄膜风袋，顶端封闭，周围有许多排气孔，通过小的排气孔，气体均匀的分布到囊体内。囊体内部设有单向阀结构，可在充气完成后关闭充气通路。在囊体外部，紧挨着密封罗圈和密封法兰处安装有密封圈和爆炸螺栓组成的分离机构，确保充气完成后的管路分离可将充气管路的大部分进行抛离。
28.图3展示了电控系统的连接方式，该电控系统完成了上述放飞、加热、充气控制等操作。高压气瓶内部温度传感器用于检测气瓶内温度，当低于-20℃时开始对气瓶内部进行恒功率加热，加热功率为16kw-20kw。高压管路与二级减压阀中的温度传感器和压力传感器用于监测充气过程的安全性，防止气体温度低造成管路泄露或减压阀失效。电动阀通过控制信号线接受来自主控系统的信号，按照控制要求进行充气时的开启与放飞前的关闭工作。且电磁阀同样加装温度传感器检测内部的气体温度，防止加温不够造成气体低温损伤电磁阀。低压管路加热装置由主控系统信号线控制工作时间，加热功率为16-20kw，管道加热装置与气瓶内部加热装置之间总加热功率不超过35kw。加热装置后端进入分离装置前的管路加装压力传感器和温度传感器，防止气体进入囊体时超过10bar造成对囊体的冲击损坏。分离装置中的仅爆炸螺栓需要供电与控制系统相连，根据信号线的放飞时机引爆爆炸螺栓，完成气球的放飞流程。
29.根据理想气体方程，瓶内的气体不可能完全充入囊体中，上述加热装置已经尽可能保证充气效率的最大化，为了能够实现快速的大质量流量充气，通过改善两级减压阀的流通面积来加大质量流量，因此，将减压阀的流通面积增加到0.3cm2左右。
30.一种兼具减压与大质量流量的安全快速充气系统设计充气操作过程的具体实施例如下：
31.在前10秒以大约37g/s的低质量流量进行缓慢充气，只需要打开未分支侧的高压管段相连减的两级减压阀。之后改为大流量快速充气，打开与四通相连的三个高压管段分支处的二级减压阀，第10.1s充气速度为149.0g/s；之后随着气瓶内温度的降低，质量流量逐渐变小；第86.4s管路开始进行环控，充入口氦气的温度保持恒定，此时的质量流量为122.1g/s；随后第126.6s后气瓶内压力低于15mpa，质量流量开始迅速减小；直至第239.3s充气完成，氦气瓶内压力还有3.937mpa，此时二级减压阀仍处于超临界状态，质量流量为239.3g/s，完成气球充气过程后，控制电动阀关闭，结束充气过程，进入放飞阶段；分离装置接受控制系统信号引爆爆炸螺栓，完成气球及其载荷的放飞工作。
32.对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。
33.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种能够实现高压压缩气体瓶连接到浮空器囊体的充气系统设计，其中，所述管路设计包括所述高压气瓶和充气囊体之间提供流体连接的高压管路部分、低压管路与分离装置组成。所述高压管路与低压管路部分包括多个气体流通支路和阀门元件及其连接件。所述分离装置由阀门与分离时机可控的爆炸螺栓组成。2.所述高压气瓶存储高压氦气，所述高压管路与高压储气装置通过单向阀连接，所述单向阀控制充入氦气的开始时间。与所述单向阀与两路高压管路分支连接，其中所述高压管段1直接与低压管段通过减压阀连接，所述减压阀应将气体进行减压至1mpa以下。所述高压管段1工作于充气初期，便于为囊体充入少量空气，使其免于大质量流量气体冲击。所述高压管段2与低压管段之间通过四通连接，所述四通上安装三个减压阀进行降压，与高压管段2相连所述低压管段由三条支路连接。所述低压支路在支路末端汇合后接入末端电动阀，所述电动阀用于控制囊体进气。3.根据权利要求2所述管路设计，所述连接装置包括爆炸螺栓、橡胶圈、安装法兰、密封胶、密封罗圈、单向阀与风带。其中权利2所述管路与安装法兰之间通过爆炸螺栓连接，所述安装法兰与气球囊体之间通过密封胶进行气密封闭，囊体内部通过密封罗圈在法兰与囊体之间进行密封。所述安装法兰在囊体内部应与单向阀相连，所述单向阀在爆炸螺栓分离前关闭。其特点在于分离装置的结构设计保证了分离前后的囊体密闭性不受影响，充气时风袋有助于大质量流量气体在气球内部实现气流的均匀分布。4.根据权利3所述充气管路设计，其充气工作过程详细描述为：充气开始时以低质量流量进行缓慢充气；仅权利2所述高压管路1开始工作，之后改为大流量快速充气，打开减压阀2-4；之后随着气瓶内温度的降低，质量流量逐渐变小；充气过程持续至气瓶内压力低于15mpa，质量流量开始迅速减小，至高压气瓶内部气体不再流出。由所述控制系统关闭低压管路末端电动阀门，启动权力2所述分离装置，完成囊体及载荷的放飞工作。
技术总结本发明提供了一种能够实现为浮空气球囊体进行减压与大质量流量快速充气的解决方案，涉及浮空器充气技术领域。它解决了多个充气式浮空器同时进行的充气与放飞问题。一种兼具减压与大质量流量的安全快速充气过程中，气体由高压储气罐中自阀门流出，进入高压管路，高压管路与低压管路之间由三通或四通与减压阀连接，以同时实现减压和大质量流量充气的目的。低压管路汇合处增加了末端电动阀门与控制系统，决定了充气时间与放飞时机，囊体与管路相连处分离装置用以实现充气完成后的浮空气球的快速放飞与协同部署，本发明能够实现了其模块化小型化的设计，减少了人力和场地成本。本发明具有充气安全、快速等优点。快速等优点。快速等优点。
技术研发人员：吕明云 武永梅 杜华飞 许子源 王传志 牛森 刘阳
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2022/12/16
