技术领域
[0001] 本
发明涉及一种升空回收系统，尤其是一种基于承重、输电、通信于一体缆绳的机动式系留气球升空回收系统。
背景技术
[0002] 系留气球是一种用作低空任务的载体，其区别与普通热气球和氢气球相比，具有承载能
力大，安全性好，升空高度较高，抗
风能力强及防雷
电能力等特点。一般升空高度为2000-3500米，可长期滞留空中15-30天。气球需提供足够大的
浮力，根据搭载设备的重量、升空高度、抗
风能力及
姿态稳定性要求，所需空中浮力大约在1-10吨的范围。为保证球上设备的安全，球体内充一定压力的氦气，充气后球体呈
飞艇形状，末端具有
尾翼，可在空中保持稳定的姿态，表皮为高强度、高
密度轻质材料，具有良好的隐形功能，主要可用作通信中继，地形
地貌勘察、高空摄影，边境侦察等民用和军事用途。美国是目前系留气球应用最多的国家，在美国与南美国家边界部署大量的低空系留气球用于贩毒、走私和偷越边境的侦查任务，美国还曾在伊拉克战争中使用小型的机动式系留气球用于军事目的。系留气球的功能相对卫星和预警飞机具有独特的优势，具有定点空中滞留、全天侯、实时性强、成本低等优势。由于气球本身和球上搭载设备的重要性和较高价值，系留气球升空回收系统作为整个系统地面
支撑的关键设备，对系留气球工作的安全性、可靠性和有效性具有至关重要的影响。
[0003] 系留气球分为固定式和机动式，固定式系留气球的地面设备与大地固定安装，结构尺寸可不受空间限制，适用于球体体积较大、承载能力较大及升空高度较高的场合。机动式系留气球的升空回收设备为车载式，将气球氦气回收后可灵活转移部署，机动性强。本发明在多年研制机动式系留气球升空回收装置的技术积累
基础上，提出一种基于特殊缆绳的机动式系留气球升空回收系统。
发明内容
[0004] 本发明提供一种机动式系留气球升空回收系统，采用的技术方案如下：
[0005] 一种机动式系留气球升空回收装置，包括缆绳1、气球10、半
挂车20、回转平台30、导缆装置40、系留塔50，操纵室32和设备舱33，其特征在于：所述
半挂车20中间通过设置的回转支撑26与所述回转平台30相连，所述回转平台30的一端安置所述导缆装置40，另一端安置所述系留塔50，靠近所述系留塔50沿所述回转平台30
中轴线向外依次安置设备舱33和操纵室32，所述设备舱33内设有驱动绞车90和储缆绞车100；所述缆绳1的一端通过所述导缆装置40沿所述回转平台30中轴线处设置的缆绳通道进入所述设备舱33内经驱动绞车90进入储缆绞车100储缆；所述缆绳1另一端连接所述气球10。
[0006] 所述半挂车20的两侧还分别设有至少2个固定支腿22及至少2个连接有伸展支腿24的可伸展的回转
支架23。
[0007] 所述导缆装置40包括导缆轮41、横摇偏摆装置42、护缆机构和入缆倾
角测量机构；所述导缆装置40位于回转平台30后端中部，导缆轮41通过导论支架上的横摇偏摆装置42与回转平台30连接。
[0008] 所述驱动绞车90包括主动
绞盘91、从动绞盘92、减速
电机93、安全插销装置94、
摩擦制动装置95及绞盘
箱体96；所述主动绞盘91和从动绞盘92的安装轴线前高后低平行布置绞盘箱体96内，在主动绞盘91和从动绞盘92之间的绞盘箱体96空间内设有摩擦制动装置95，可对从动绞盘实施制动。
[0009] 所述系留塔50的塔高为>1/2气球10高度+设备舱33高度+2米。
[0010] 在所述导缆装置40和所述操纵室32之间的回转平台30的两侧还对称设置带有支架的气垫包37，所述气垫包37的高度大于所述设备舱33的高度2米以上。
[0011] 在所述系留塔50一端的回转平台30上还设置有前辅助绞车60；在所述导缆装置40一端的回转平台30的两侧平台上还设置有左辅助绞车70和右辅助绞车80。三台辅助绞车由缆筒、减速器和
驱动电机组成，电机功率、减速器规格及外形结构尺寸相同，驱动电机为双速交流异步电机。
[0012] 所述气球10为飞艇形状，包括椭圆球形的球体11、三个尾翼12和一个位于球体11后部下方的整流罩13；所述球体11头部圆弧形中央设有头锥19，在球体11两侧对称设置有多股分叉系留绳，系留绳汇聚到一起后通过环扣与下方的
张力传感器17连接，张力传感器17下方与旋转连接器18连接；所述旋转连接器18上部和下部可相对转动，下方缆绳
1经旋转连接器18输出含光纤的
电缆1a至气球10提供电源及通信；在气球10头部头锥
19引出端设有前系留绳14，后部左右两侧分别设有左系留绳15和右系留绳16。
[0013] 所述头锥19为头部设有球形的空心直杆，用于地面系留时与所述系留塔50上设有的头锥
锁54锁定，所述前系留绳14从头锥19孔中引出。
[0014] 所述前系留缆14、左系留缆15和右系留缆16的长度均大于40米；前系留缆14的长度大于左系留缆15和右系留缆16，气球10升空时，前系留缆14、左系留缆15和右系留缆16的下端均基本处于同一高度。
[0015] 本发明的特点和有益效果是：系留气球升空回收系统的相关设备及装置为机动式车载结构，包括缆绳、气球、半挂车、回转平台、导缆装置、系留塔、前辅助绞车、左辅助绞车、右辅助绞车、驱动绞车和储缆绞车，气球的升空回收任务由驱动绞车和储缆绞车构成的主绞车和三台辅助绞车协调完成，长距离的主升空回收及空中系留任务由主绞车承担，近地面的辅助收放和地面系留由前辅助绞车、左辅助绞车和右辅助绞车同时完成。系统结构紧凑、可灵活转移部署，满足2000-3500米升空气球及球载设备的升空、回收、空中滞留和地面滞留需求，并具有良好的可靠性、安全性和适应性。
附图说明
[0016] 附图1；本系统升空状态结构简图；
[0017] 附图2：图1的俯视图；
[0018] 附图3：图1的系留状态图；
[0019] 附图4：图1设备舱右后侧轴测图；
[0020] 附图5：图1设备舱右前侧轴测图。
[0021] 图中：1、缆绳，1a、电缆，10、气球，11、球体，12、尾翼，13、整流罩，14、前系留绳，15、左系留绳，16、右系留绳，17、旋转连接器I，18、张力传感器，19、头锥，20、半挂车，21、
车身，22、固定支腿，23、回转支架，24、伸展支腿，25、
车轮，26、回转支撑，30、回转平台，31、平台体，32、操控室、33、设备舱，34、平台转臂，35、操作悬架，36、旋梯，37、气垫包，40、导缆装置，
41、导缆轮，42、横摇回转装置，50、系留塔，51、塔座、52、
塔架，53、登梯，54、头锥锁，55、前导轮，60、前辅助绞车，70、左辅助绞车，71、左导轮，80、右辅助绞车，81、右导轮，90、驱动绞车，
91、主动绞盘，92、从动绞盘，93、减速电机，94、安全插销装置，95、摩擦制动装置，96、绞盘箱体，100、储缆绞车，101、储缆筒，102、驱动组件，103、导缆机构，104、排缆机构。
具体实施方式
[0022] 下面通过基于特殊缆绳的机动式系留气球升空回收系统的应用为
实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0023] 图1是机动式系留气球升空回收系统升空状态结构简图，图2是图1隐去气球后的俯视图，图3是气球10处于地面系留状态结构简图，图4是设备舱33右后侧轴测立体图，主要表示设备舱33中驱动绞车90和储缆绞车100的安装
位置和空间关系。图5是设备舱33的右前侧轴测立体图。本实施例图中标识的方位描述基于图1中气球10头锥19指向为前。
[0024] 系统主要组成包括缆绳1、气球10、半挂车20、回转平台30、导缆轮40、系留塔50、前辅助绞车60、左辅助绞车70、右辅助绞车80、驱动绞车90及储缆绞车100。
[0025] 本实施例气球10为氦气球，球体11和整流罩13中载有包括多套计算机、GPS、风速测量仪等在内的许多特殊设备，所载设备非常重要且价值昂贵，因此本升空回收系统除满足气球10的收放和地面系留功能外需特别注重升空回收和空中滞留过程中的安全性，保障气球和承载设备的绝对安全。缆绳1是一种集承重、输电、通信于一体的特殊电缆，是气球10升空回收过程中的主承重缆，缆绳1由外而内分别为外层、屏蔽网、承重层、四根电源
导线和三根光纤构成，外表皮为以聚乙烯材料为基底加导电
金属粉末的
半导体材料。气球在升空时，球上设备所需电源由缆绳1中的电源线提供，球上还备有
蓄电池作为应急电源，球上计算机与地面的数据通信通过缆绳1内的光纤传输。
[0026] 气球10内含有众多仪器设备，是一个复杂的任务系统，本实施例仅给出气球10与升空回收和地面系留相关的结构组成要素，包括缆绳1、球体11、尾翼12、整流罩13、前系留绳14、左系留绳15、右系留绳16,、张力传感器17、旋转连接器18及头锥19。气球10的外形类似飞艇，三个尾翼12有助于空中保持姿态的稳定，整流罩13内装有执行空中任务的主要设备，数十米长的前系留绳14、左系留绳15和右系留绳16分别与回转平台30上设置的前辅助绞车60、左辅助绞车70和右辅助绞车80对应，承担气球10近地时的辅助收放及地面系留。在球体11两侧，对称设置了多股分叉的系留绳，系留绳汇聚到一起后通过环扣与下方的张力传感器17连接，张力传感器17下方与旋转连接器18连接，旋转连接器18上部和下部可相对转动，下方缆绳1经旋转连接器18输出含光纤的电缆1a至气球10提供电源及通信，此时的电缆1a不再具有承重能力。张力传感器17测量缆绳1的上端张力，通过张力的实时动态数据变化反映气球10所受浮力及
风力变化的情况，旋转连接器18保证气球随风转动时缆绳1内的电源线和光纤与球上设备的可靠连接，头锥19为头部设有球形的空心直杆，用于地面系留时与系留塔30上的头锥锁54锁定，前系留绳14从头锥19孔中引出。
[0027] 本系留气球升空回收系统为机动式，升空回收设备和相关辅助装置均承载于半挂车20的回转平台30上，回转平台30通过回转支撑26与半挂车20连接，回转平台30可绕与半挂车20之间的回转支撑26旋转，当气球10在空中受风力影响而改变方位时，回转平台跟随自由转动。半挂车20经专
门改装，除了车身21和车轮25外，还设有若干固定支腿22、回转支架23、伸展支腿24，实施升空任务之前，通过将前后设置的若干固定支腿22支撑地面悬起车轮25，并通过展开旋转支架23端部的伸展支腿24在半挂车20左右拓展距离实施辅助支撑地面，保持半挂车20的抓地稳定性。
[0028] 回转平台30上的主要结构组成由图1自左向右包括导缆装置40，左辅助绞车70、右辅助绞车80、左右设置的两个气垫包37、操控室32、设备舱33、系留塔50和前辅助绞车60，导缆装置40由导缆轮41、横摇回转装置42、护缆机构和如缆倾角测量机构等组成，导缆轮41的作用是将与气球10连接缆绳转为
水平方向导入到设备舱33内，横摇回转装置42可根据空中缆绳1的偏斜自动调整导缆轮41摆角，防止缆绳与导缆轮41上圆弧绳槽侧边摩擦，护缆机构通过可转动的尼龙套封住缆绳1在导缆轮41上的圆弧绳槽出口，防止缆绳滑出导缆轮41的绳槽。前辅助绞车60设于系留塔50的塔座51上，左辅助绞车70和右辅助分设于导缆装置40的左右，当气球10自系留状态释放及接近地面时的辅助收缆时，通过在系留塔50顶部设置的前导轮55将前系留绳14收至前辅助绞车60，通过回转平台30平台体31后端左右两侧的平台转臂34端部的左导轮71和右导轮81分别将左系留绳15和
右系留缆16收入左辅助绞车70和右辅助绞车80。左右辅助绞车工作时，两名操作人员分别位于左右辅助绞车一侧的操作悬架35内进行操作和监控。回转平台30后部两侧高架的两个气垫包37的作用是当气球10地面系留时，隔离球体11与回转平台30上的
硬件结构碰擦，起隔离缓冲保护作用。操作人员通过尾部设置的旋梯36上下回转平台30。
[0029] 系留塔50设于回转平台30的前端中央，包括塔座51、塔架52、登梯53及塔座51上安装的前辅助绞车60、塔顶上设置的头锥锁54、前导轮55和塔顶一侧的操作悬架35，气球10升空前和回收接近地面时，操作人员由登梯53爬至塔顶处的操作悬架35内，负责对气球10头锥19和头锥锁54之间的出锁和入锁进行操作。塔架52与塔座51采用可分拆式结构，便于转场运输时拆除塔架52及以上设备。
[0030] 气球10升空及空中滞留期间，缆绳1经导缆轮41导向以水平方向进入回转平台30中轴线内部设置的缆绳通道进入设备舱33，为防止缆绳在缆绳通道内与附近
钢结构碰擦，在缆绳通道中设置了若干水平和竖直导辊限制缆绳1在松弛状态时的下沉和偏斜。
[0031] 当气球10处于地面系留状态时，气球10头部的头锥19插入系留塔50顶部的头锥锁19内，并由头锥锁19内的电磁锁锁住头锥19出口。气球10的地面系留除了通过三台辅助绞车分别拉住前、左、右系留绳外，气球10的球体11上还设有若干辅助系留绳（附图中未表示），与回转平台30的平台体31和半挂车20的车身21系留固定，以保证气球10的地面系留安全。
[0032] 气球10升空前，先解开所有辅助系留绳，先通电释放系留塔50顶部的头锥锁54，然后将前辅助绞车60的前系留绳14略微放松，这时通过头锥锁19内的
弹簧将气球10的头锥19顶出，然后同时启动三台辅助绞车，缓慢释放气球10，在三台辅助绞车近地释放气球10时，缆绳1为松弛状态，直到缆绳1完全受力后，继续释放三台辅助绞车的系留缆直至前系留绳14、左系留绳15和右系留绳16被完全放出。当三台辅助绞车将三根辅助系留缆完全释放后，气球10就进入驱动绞车90的工作状态，这时可启动减速电机93实施放缆，放缆时，由操控室32的操作人员通过控制操作
手柄先低速放缆，并逐渐增速到正常放缆速度。驱动绞车90的减速电机93采用变频调速的速度控
制模式工作，储缆绞车100的驱动电机为恒
扭矩控制模式工作，保持驱动绞车90和储缆绞车100之间的缆绳1的张力基本恒定。放缆时，由于气球10浮力的作用，减速电机93工作为发电状态，通过在
电路中设置放电
电阻来消耗发电
能量。
[0033] 对空中气球10进行收缆时，由减速电机93驱动主动绞盘91旋转，缆绳1进入设备舱后，从驱动绞车90的绞盘箱体96的入缆口进入驱动绞车90的从动绞盘92，经从动绞盘92靠近减速电机93的第一道绳槽从上方进入主动绞盘91的第一道绳槽，依次在主动绞盘91和从动绞盘92缠绕至主动绞盘靠右的最后一道绳槽后，经从动绞盘92的最右绳槽下部从绞盘箱体96的出缆口导出进入储缆绞车100的导缆机构103至储缆筒101进行排缆。
[0034] 驱动绞车90和储缆绞车100是气球10收放的主要设备（参见图4和图5），在驱动绞车90的主动绞盘91外圆设置了8个等间距同直径圆弧绳槽，在从动绞盘92外圆设置了9个等间距同直径圆弧绳槽，驱动绞车90通过主动绞盘91和从动绞盘92上的圆弧绳槽与缆绳1之间
摩擦力提供缆绳1的收放驱动，在绞盘箱体96上平面主动绞盘91的两侧分别设置了安全插销装置94，每套安全插销装置94内设有独立的两组插销，可保证主动绞盘91停在任意位置时两套安全插销装置94中各自至少由一组插销可插入主动绞盘91端面的圆弧
槽孔中。在驱动绞车90绞盘箱体96中部还设置了摩擦制动装置95，通过对从动绞盘
92的制动，增加缆绳1与绞盘之间的摩擦包角，使原来仅依靠主动绞盘91与缆绳1形成的
8π包角增至16π，成倍增大气球10在空中滞留时绞盘对缆绳1的摩擦力，确保气球10滞留空期间出现极端恶劣大风天气时，缆绳1与两绞盘之间不出现滑移。
[0035] 由于气球10的升空高度达2500米以上，储缆绞车100主要负责储缆和整齐排缆任务，并设置了储缆端缆绳张力测量、缆长测量及其它有关运行稳定和安全的辅助功能。原先较早研制的系统将缆长测量装置设于驱动绞车90内，但由于驱动绞车90内的主动绞盘91和从动绞盘92之间的缆绳1张力较大，缆绳具有一定的延伸率，造成一个收放来回缆长的测量误差达10-20m，现将缆长测量装置设于储缆绞车100的导缆机构内，由于储缆端的缆绳张力只有50-100kg，这样的益处是避免了缆绳受力延伸带来的测量误差。
[0036] 当本系统需要转移阵地或运输时，首先拆除球上的设备装到配套的专用运输车，用与系统配套的氦气保障车将气球10内的氦气回收并提纯储存，分离缆绳1与气球的连接，将气球10折叠包裹装车，拆除系留塔50的塔架52。将拖车头与半挂车20挂接后，收起半挂车20与地面的固定支腿22、回转支架23和伸展支腿24，并将回转平台30左右辅助绞车两侧的平台转臂34折回平台两侧固定，锁定回转平台30和半挂车20之间的回转支撑26后即可进行转场运输。转场启用前按以上相反顺序进行操作，并经全面检查无误后使气球10恢复升空状态。
[0037] 本实施例就一种基于特殊缆绳的机动式系留气球升空回收系统的组成、结构特点和主要功能进行了说明，由于本系统功能复杂，结构繁多，本发明的重点是升空回收系统，附图中简化了一些与升空回收设备非直接相关装置及局部结构细节，并且有关驱动绞车90和储缆绞车100的具体组成结构和功能特点已在其它相关
申请专利中详细描述，如摩擦驱动绞车、储缆绞车以及内部设置摩擦制动装置、安全插销装置、张力测量装置、储缆绞车端张力测量装置、收放缆长测量装置等，如果必要，可参考与本发明相关的其它专利申请文件。
