一种临近空间浮空器集群无线传能系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器和多个工作浮空器，多个工作浮空器分布于所述供能浮空器的周围；所述供能浮空器包括架体，以及安装于架体上的太阳能电池和多个激光发射装置，多个激光发射装置与太阳能电池电连接，所述工作浮空器上设有激光接收装置。本实用新型专利技术将浮空平台的自主供电模式改进为利用空间太阳能电站集中供电，从而使浮空平台不必携带大面积的太阳能电池板和笨重的蓄电池组，气球平台的设计难度下降，有效载荷占比大大提高，应用平台更加集约高效。

A wireless energy transmission system of near space aerostat cluster

【技术实现步骤摘要】
一种临近空间浮空器集群无线传能系统
本技术涉及临近空间飞行器
，尤其涉及一种临近空间浮空器集群无线传能系统。
技术介绍
临近空间浮空器是一种依靠轻质浮升气体产生的浮力升空，可长期飞行于平流层高度的无人平台。近年来，以单个浮空器平台的能力为基础，以平台之间的协同交互能力为支撑，基于开放式体系架构的临近空间浮空器集群系统逐渐成为临近空间浮空器的主要发展方向，可执行诸如广域侦察监视、通信中继、气象环境监测、高分辨率对地观测等多种任务。临近空间浮空器主要采用“太阳能电池+蓄电池”的自主供能模式。白天太阳能电池将光能转换成电能给平台电子设备供电并将富余的能量储存在蓄电池内，晚上蓄电池放电用于维持浮空器平台的电子设备用电，通过昼夜供能循环以实现平台的持久留空工作。此外，一些研究者提出了利用微波或激光的地面无线输能的技术方案用于给浮空器供能，但大多局限于理论探讨，仅开展了少数低空试验。“太阳能电池+蓄电池”的供能方案存在以下缺点：当载荷功率很大时，蓄电池重量、太阳能电池面积都极大，浮空器平台为此付出了大量载重能力，而且太阳能电池板的大面积铺设给系统设计带来很大困难，也会对系统的动态特性造成影响，如引起吊舱的大幅摆动。随着有效载荷功率增加，为维持能源平衡所需太阳能电池板和蓄电池也会按比例增大，因此对于大功率的有效载荷，浮空器体积往往需要高达数十万立方才能提供足够的浮力，这给浮空器的加工制造带来了很大困难。基于微波无线输能的技术方案也存在很多问题，例如：能量传输效率低下，不足20%；需要大面积的微波发射、接收天线；地面发射天线面积过大，难以移动，而浮空器随风漂移运动范围大，很难长时间保持在可充电范围内。激光输能传输效率较高，但一般都是考虑输能装置放在地面，因此存在和微波输能类似的问题，而且对流层水汽，尘埃含量大，对激光的吸收衰减大，传输效率大打折扣。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种为临近空间浮空器长时飞行提供能量、降低能源系统在浮空器平台组成中所占比重的临近空间浮空器集群无线传能系统。为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：一种临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器和多个工作浮空器，多个工作浮空器分布于所述供能浮空器的周围；所述供能浮空器包括架体，以及安装于架体上的太阳能电池和多个激光发射装置，多个激光发射装置与太阳能电池电连接，所述工作浮空器上设有激光接收装置。本技术将浮空平台的自主供电模式改进为利用空间太阳能电站集中供电，从而使浮空平台不必携带大面积的太阳能电池板和笨重的蓄电池组，气球平台的设计难度下降，有效载荷占比大大提高，应用平台更加集约高效。整个临近空间浮空器集群系统以供能浮空器形成的太阳能空间电站为中心，太阳能空间电站负责发电及能量传输，考虑临近空间环境特征，采用激光无线输能作为能量传输方式。大量功能多样的浮空器平台携带少量蓄电池和一块光电池板用于接收高能激光传输的能量。作为上述技术方案的进一步改进：所述激光发射装置为深红光激光器。所述深红光激光器发出波长为800nm的深红光。800nm左右为GaAs光电池能量转换效率最高的波长。激光器输出功率选择5kW即可满足大部分应用需求。所述激光接收装置为GaAs光电池。光电池优选可绕中心轴旋转，以便接收激光束实现无线输能。光电池外表面可附加迷你顶状透镜，以实现对不同方向入射的光束进行聚焦，提高光电池对入射光束的能量利用率。所述架体包括两个臂架，两个臂架之间连接有骨架从而形成V形艇结构。太阳能空间电站基于V形艇设计。V形艇作为太阳能空间电站，可充分利用其大臂展，搭建大面积太阳能电池板的安装支架，太阳能电池板产生的富余能量存储在储能电池中，储能电池容量应能满足其他小型浮空器平台夜间总的能量需求。所述骨架上围设有蒙皮，所述蒙皮与骨架形成第一气囊，所述太阳能电池铺设于第一气囊上。因V形艇自身具备一定气动升力，因此通过调节相对空速，可对平台的滞空高度做有限调节。两个臂架的尾部下端对称设有竖向布置的尾翼。此为保证航向稳定性，在原始构型基础上增加了上述两片垂直尾翼。V形艇在尾翼作用下始终保持良好的迎风状态，依靠尾部安装的螺旋桨来抵抗风阻，以调整平台运行速度。两个臂架的中部下端对称设有电气设备。两个臂架的尾端对称设有螺旋桨发动机。所述工作浮空器包括第二气囊和连接于第二气囊下端的吊舱，所述激光接收装置连接于吊舱的下端。与现有技术相比，本技术的优点在于：本技术以V型艇为空间太阳能电站的集中供能方式，可缩减依附的浮空平台携带的太阳能电池板和蓄电池重量，这部分重量往往是有效载荷重量的数倍以上，消耗了浮空器平台大部分浮力，由此可大大减小依附平台的设计体积，简化其使用能源平衡设计，并降低浮空器平台的研制及装调难度；做到随用随充，平台无需带电池板，或仅需带极少量电池板、蓄电池也可大大减小，减少重复冗余，夜间没电时请求中心平台供电即可。供电平台能量充裕，为浮空器搭载体型较大的高能微波、激光等定向能武器等提供了可能能源保证。附图说明图1为本技术实施例的临近空间浮空器集群无线传能系统的结构示意图。图例说明：1、供能浮空器；101、架体；102、电气设备；103、尾翼；104、螺旋桨发动机；105、太阳能电池；106、激光发射装置；2、工作浮空器；201、第二气囊；202、吊舱；203、激光接收装置。具体实施方式以下结合具体优选的实施例对本技术作进一步描述，但并不因此而限制本技术的保护范围。实施例：如图1所示，本实施例的临近空间浮空器集群无线传能系统，包括设于平流层的供能浮空器1和多个工作浮空器2，多个工作浮空器2分布于供能浮空器1的周围。供能浮空器1包括架体101，以及安装于架体101上的太阳能电池105和多个激光发射装置106，多个激光发射装置106与太阳能电池105电连接，工作浮空器2上设有激光接收装置203。工作浮空器2包括第二气囊201和连接于第二气囊201下端的吊舱202，激光接收装置203连接于吊舱202的下端。架体101包括两个臂架，两个臂架之间连接有骨架从而形成V形艇结构。骨架上围设有蒙皮，蒙皮与骨架形成第一气囊，太阳能电池105铺设于第一气囊上。两个臂架的尾部下端对称设有竖向布置的尾翼103，两个臂架的中部下端对称设有电气设备102，两个臂架的尾端对称设有螺旋桨发动机104。空间太阳能电站为V形艇，V形艇采用蒙皮骨架式结构，双臂分别加工后利用刚性骨架连接，刚性骨架上围设有蒙皮，蒙皮与骨架形成第一气囊。第一气囊由蒙皮充气形成单独的气室，多个第一气囊沿臂架长度方向间隔设置，使囊体承受的浮力分布均匀。囊体横截面为椭圆形，使其具备一定升力，进而能通过改变相对空速进行高度调节。根据气动分析，V形艇气动阻力同张角大小成正比，在双臂直径较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，包括设于平流层的供能浮空器（1）和多个工作浮空器（2），多个工作浮空器（2）分布于所述供能浮空器（1）的周围；所述供能浮空器（1）包括架体（101），以及安装于架体（101）上的太阳能电池（105）和多个激光发射装置（106），多个激光发射装置（106）与太阳能电池（105）电连接，所述工作浮空器（2）上设有激光接收装置（203）。/n

【技术特征摘要】
1.一种临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，包括设于平流层的供能浮空器（1）和多个工作浮空器（2），多个工作浮空器（2）分布于所述供能浮空器（1）的周围；所述供能浮空器（1）包括架体（101），以及安装于架体（101）上的太阳能电池（105）和多个激光发射装置（106），多个激光发射装置（106）与太阳能电池（105）电连接，所述工作浮空器（2）上设有激光接收装置（203）。


2.根据权利要求1所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述激光发射装置（106）为深红光激光器。


3.根据权利要求2所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述深红光激光器发出波长为800nm的深红光。


4.根据权利要求1所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述激光接收装置（203）为GaAs光电池。


5.根据权利要求1-4任一项所述的临近空间浮空器集群无线传能系统，其特征在于，所述架体（10...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，洪涛，
申请(专利权)人：湖南航天远望科技有限公司，
类型：新型
国别省市：湖南;43