一种针对轻于空气的浮空器的压力调整系统及方法与流程

本发明涉及飞行机械，尤其涉及一种针对轻于空气的浮空器的压力调整系统及方法。

背景技术：

1、浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。除了军用外，大型民用浮空器还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等。

2、浮空器是利用轻于空气的原理实现悬浮的装置，常见于气象探测、广告宣传、科学研究和发电等领域。现有技术中的浮空器在这些应用中存在局限性，如不能长时间保持定点悬浮，风力发电效率低等问题。

3、浮空器内部的轻质气体(如氦气或氢气)的泄漏率是影响其性能的关键因素。泄漏率的准确计算对于浮空器的设计、维护和性能评估至关重要。泄漏率通常与多种参数相关，包括材料特性、容器结构、温度、压力以及气体分子的大小和速度等。泄漏率的计算通常基于气体动力学和材料科学原理。

4、泄漏率q具有如下简化计算公式：

5、

6、其中，q是泄漏率(单位：气体体积/时间)，d是气体扩散系数，a是容器表面积或孔隙面积，δp是压力差，l是材料厚度。

7、由此可知，随着浮空器体积增大，由于其表面积将随之增大，进而泄漏率也将增大。为了降低泄漏率，可以采用增大材料厚度的方式，但其会导致重量大幅度上升，进而降低了浮空器的漂浮能力。还可以采用更好的涂层来降低气体扩散系数d，但是对于氢气和氦气这样的轻质气体而言，涂层或者说层系对气体扩散系数d的影响不足以提升滞空时间。

8、除了考虑材料厚度与气体扩散系数之外，为了长时间滞空，目前如科学研究气球或高空探测气球这样的轻于空气的浮空体采用了多种技术和策略来延长其滞空时间，例如以下这些现有技术：

9、1.高气密性材料：使用高气密性的材料，如多层聚酯薄膜或尼龙，这些材料具有极低的气体渗透率，可以有效减少氦气通过材料壁的扩散损失。

10、2.密封技术：在气球的接缝和连接处采用密封技术，如热焊接或特殊粘合剂，以确保气体的紧密封闭。这些密封技术必须能够承受高空的极端温度和压力变化。

11、3.压力控制系统：配备有压力控制系统，包括自动阀门和气囊，以调节气球内部的气体压力。这有助于维持气球的形状和浮力，同时减少因压力变化导致的气体泄漏。

12、4.气体回收系统：一些浮空体可配备有气体回收系统，可以在浮空体降落时回收未使用的氦气，以便重复使用。这不仅延长了浮空体的滞空时间，还提高了氦气的使用效率。

13、5.定期检查和维护：定期对浮空体进行检查和维护，及时发现并修复任何可能的泄漏点。这包括对阀门、接缝和其他关键部件的检查。

14、6.环境适应性设计：浮空体的设计考虑高空环境的极端条件，如低温和强烈的紫外线辐射。使用耐候性强的材料和涂层可以保护气球免受环境损害，从而延长其使用寿命。

15、7.精确的充气技术：在充气过程中，精确控制氦气的充入量，避免过度充气导致材料应力过大，从而减少潜在的泄漏点。

16、目前，通过这些技术和策略的综合应用，长时间滞空的浮空体可以实现从几天到数周的滞空时间。

17、cn102241274a公开了一种带有夹层的飞艇，其设置夹层的动机在于双重安全机制，即，内层破裂后，外层暂时承担密封作用，由此提高安全性。该技术方案并不着眼于持续若干月乃至若干年的长期滞空作业要求，所以也没有考虑材料本身泄漏率的必要。

18、cn101296841a涉及一种高压气球，其设置在平流层内可以充气到空气动力学外形的外气球内，该外气球形成至少一个围绕高压气球的可以填充介质的低压或高压隔绝腔，其中设置用于在隔绝腔中循环的介质的加热和冷却装置。该发明的隔绝腔仅着眼于避免极端温差对高压气球中的气压的负面影响，例如为了采用更轻更便宜的材料来制作高压气球。该技术方案也不着眼于持续若干月乃至若干年的长期滞空作业要求，所以也没有考虑材料本身泄漏率的必要。

19、cn110726067a涉及一种双层压力容器，其中虽然涉及了两个不同的压力等级，但由于其仅仅着眼于内层罐体的壁厚与成本之间的关系，单纯从降低内层罐体受压等级的角度设计了“仅用于承受高压空气与中压空气的压力差”的减壁厚的内层罐体，核心优势仅在于节省成本，并未考虑泄漏率的问题。

20、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明提供了一种针对轻于空气的浮空器的压力调整系统及方法，以解决上述至少部分技术问题。

2、本发明公开了一种针对轻于空气的浮空器的压力调整系统，浮空器包括一个能够充入轻质气体的浮空主体，该浮空主体由至少两层蒙皮构成，并且在其间形成至少一个中间缓冲腔室，其中，该中间缓冲腔室能够被充入缓冲介质，用以在浮空主体与外界大气之间形成至少两个压力梯度，以降低轻质气体朝向外界大气的扩散速率，压力调整系统配置有用于调整浮空主体内的气体状态的第一调气模块和用于调整中间缓冲腔室内的气体状态的第二调气模块。

3、本发明提供了一种创新的浮空器压力调整系统，该系统通过至少两层蒙皮构成的浮空主体，并在其间形成至少一个中间缓冲腔室，显著提高了轻质气体的保持效率。这种设计有效降低了轻质气体向外界大气的扩散速率，解决了现有技术中轻质气体容易泄漏、难以长期保持浮空器浮力的问题。通过第一调气模块和第二调气模块的协同工作，系统能够精确调整浮空器内部的气体状态，确保浮空器在不同环境条件下的稳定性和可控性。这一技术方案与现有技术的本质区别在于其多层结构和压力梯度的创新应用，为高空持久滞空提供了一种全新的解决方案。

4、根据一种优选实施方式，中间缓冲腔室所充入的气态的缓冲介质不同于浮空主体所保持的轻质气体，其中，在相同气压下，该缓冲介质的液化温度高于轻质气体的液化温度。

5、本发明选择液化温度高于轻质气体的缓冲介质，是为了便于后续针对混合气体进行高效分离和回收。这是因为当轻质气体与缓冲介质形成混合气体后，通过降低温度或增加压力，缓冲介质将首先液化，而轻质气体则因液化温度较低而保持气态。这样就可以利用物质在不同相态下的物理性质差异，高效地将轻质气体从混合气体中分离出来。

6、根据一种优选实施方式，浮空器内设有用于装载轻于空气的轻质气体的第一气囊，其中，第一气囊内的轻质气体是通过第一调气模块按照压力受控的方式加载的。

7、本发明通过第一调气模块的压力受控加载方式，实现了对第一气囊内轻质气体压力的精确控制，保障了浮空器在不同飞行状态下的浮力需求，提升了系统的响应速度和调节精度。

8、根据一种优选实施方式，第一气囊内设置有若干用于将第一气囊的内腔分隔成若干内腔室的隔膜，其中，隔膜上开设有用于控制相邻的内腔室的通断状态的互通阀门。

9、本发明通过在第一气囊内设置隔膜和互通阀门，实现了对多个内腔室的独立控制。这种设计不仅提高了气囊的结构稳定性，而且允许对不同内腔室进行精细的压力调节，优化了浮空器的浮力控制。

10、根据一种优选实施方式，第一调气模块包括用于向第一气囊充入轻质气体的第一加气单元和用于对第一气囊的各腔室的气体压力进行调节的第一压力调节单元，其中，第一加气单元能够将多余的轻质气体存储于第一储气罐内，并能够响应于第一压力调节单元发出的控制信号驱动第一压缩机将第一储气罐内的轻质气体充入第一气囊内。

11、本发明通过第一加气单元和第一压力调节单元的协同工作，实现了轻质气体的高效充填和精确调节。这种设计允许系统根据实时的气体压力反馈，自动调节第一压缩机的工作状态，确保了第一气囊内的轻质气体压力始终处于最佳飞行状态。

12、根据一种优选实施方式，第二调气模块包括用于向中间缓冲腔室充入缓冲介质的第二加气单元和用于对中间缓冲腔室的气体压力进行调节的第二压力调节单元，其中，第二加气单元能够将多余的缓冲介质存储于第二储气罐内，并能够响应于第二压力调节单元发出的控制信号驱动第二压缩机将第二储气罐内的缓冲介质充入中间缓冲腔室内。

13、本发明通过第二加气单元和第二压力调节单元的配合，实现了对中间缓冲腔室内气体状态的精确控制。这种设计不仅提高了缓冲介质的充填效率，而且通过精确调节压力，增强了浮空器对环境变化的适应能力。

14、根据一种优选实施方式，第一气囊的各腔室内设置有用于存储调节介质的第二气囊，存储于第二气囊内的调节介质能够由响应于第一压力调节单元发出的控制信号的第三加气单元进行充入，其中，调节介质为重于轻质气体的气态介质。

15、本发明通过第三加气单元对调节介质的充入，实现了对浮空器浮力的动态调节。这种设计允许浮空器根据飞行需求，快速调整整体密度，提高了浮空器的操作灵活性和响应速度。

16、根据一种优选实施方式，浮空器设有气体分离单元，该气体分离单元用于从中间缓冲腔室内的缓冲介质与泄漏的轻质气体构成的混合气体中分离出轻质气体，并将所分离的轻质气体送回用于直接保持轻质气体的浮空主体的第一气囊内或第一储气罐内。

17、本发明通过从混合气体中分离并回收轻质气体，显著降低了因气体泄漏导致的性能损失。这种设计不仅提高了轻质气体的利用效率，而且通过将分离出的轻质气体重新送回浮空主体，增强了系统的密封性和可靠性。

18、根据一种优选实施方式，轻质气体为氦气或氢气；缓冲介质为氨气、氟氯烃、氢氯氟烃、氢氟烃、一氧化二氮、二氧化碳、二氧化硫和/或氯气；调节介质为空气。

19、本发明对轻质气体、缓冲介质和调节介质的选择进行了限定，这些选择基于它们的物理化学性质和环境影响。这种设计使得浮空器在保持高效浮力的同时，也满足了环保和经济性的要求。

20、本发明还公开了一种针对轻于空气的浮空器的压力调整方法，其包括以下步骤：

21、使用第一调气模块向浮空主体内的第一气囊中加载轻于空气的轻质气体，该加载过程是按照压力受控的方式进行的；

22、监控浮空主体内的轻质气体压力，并通过第一压力调节单元生成相应的控制信号，以维持所需的压力水平；

23、当检测到轻质气体泄漏至中间缓冲腔室并与中间缓冲腔室中的缓冲介质组成混合气体时，启动气体分离单元，以从混合气体中分离出轻质气体；

24、将分离出的轻质气体送回用于直接保持轻质气体的浮空主体的第一气囊内或第一储气罐内。

25、本发明提供了一种改进的压力调整方法，该方法通过精确控制轻质气体的加载、监控和回收过程，实现了对浮空器浮力的精确管理。这种方法不仅提高了浮空器的操作效率，而且通过气体分离和回收机制，延长了浮空器的使用寿命，为高空持久滞空提供了强有力的技术支持。