一种平流层系留浮空器平台技术领域
本发明涉及高空搭载平台，更具体地，涉及一种平流层系留浮空器平台。
背景技术
平流层位于对流层之上，指海拔8-18km至50km的空间区域，这一区域无雨、雪天
气，气流平动。研究发现在海拔18-25km存在一个相对的弱风区，该区域在通讯服务、对地观
测、空中警戒等方面具有重大应用前景。目前针对平流层的开发主要集中在平流层无人机
和平流层飞艇，各国都投入大量人力、财力进行研究。
系留气球是浮空器的一种，传统系留气球包括一个气球球体、一根系缆以及一套
地面锚泊设施，气球内充满氢气或氦气等轻于空气的浮升气体。气球通过系缆连接到地面
上的锚泊设施上，系留气球有两种状态，受气球体积和系缆重量限制，传统系留气球升空高
度难以到达平流层。
由于气球上升的高度越高，气球的净球力增大，所需的系缆的强度增加，导致系缆
的重量增加，使承受系缆重量的气球的体积增大。气球体积增大，反过来，又会要求系缆增
加强度。如此，会造成系缆重量和气球体积都过于庞大，导致系留气球的升空高度难以达到
要求，无法在平流层形成稳定的荷载平台。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的能够有效提高浮
空器净浮力和上升高度的平流层系留浮空器平台。
根据本发明的一个方面，提供一种平流层系留浮空器平台，其包括：依次连接在系
缆上、位于不同高度、用于平台搭载荷载的中间浮空器和顶部浮空器，所述系缆连接至地面
系缆收放装置。
在上述方案的基础上，位于所述顶部浮空器下方的所述中间浮空器至少为一个。
在上述方案的基础上，所述中间浮空器的一端连接有调节高度并可解除锁紧状态
的高度调节装置，所述中间浮空器通过所述高度调节装置可滑动的锁紧在所述系缆上。
在上述方案的基础上，所述高度调节装置包括固定座，所述固定座上设置由主驱
动电机驱动而夹紧/松开系缆或沿所述系缆滑动的第一滑动调节件。
在上述方案的基础上，所述第一滑动调节件包括水平相对设置以夹紧/松开所述
系缆或沿所述系缆滑动的第一主动轮和第一从动轮，所述第一主动轮上连接由主驱动电机
驱动的主驱动同步带，所述第一从动轮的转轴连接至位于第一从动轮一侧的第一支架，所
述第一支架连接第一丝杠并与所述第一丝杠螺纹配合，所述第一丝杠的另一端连接由电机
驱动的第一调节同步带。
在上述方案的基础上，所述第一滑动调节件还包括固定于固定座上的第一丝杠支
座，所述第一丝杠支座连接在所述第一丝杠设置有第一调节同步带的一端，所述第一丝杠
支座的两端平行设置与所述第一丝杠长度相同的第一导向杆，所述第一支架可滑动的连接
在所述两根第一导向杆的另一端。
在上述方案的基础上，所述高度调节装置还包括与所述第一滑动调节件具有相同
结构的第二滑动调节件，所述第一滑动调节件与第二滑动调节件对称设置于所述固定座的
下部和上部，所述第二滑动调节件的第二主动轮与所述第一主动轮通过所述主驱动同步带
连接，所述第二滑动调节件的第二调节同步带与所述第一调节同步带均由所述电机驱动而
同步动作。
在上述方案的基础上，所述高度调节装置采用无线通信方式实现与地面的信息交
互联通。
在上述方案的基础上，所述中间浮空器上设置有实时跟踪定位的第一定位装置
和/或检测风速的风速计。
在上述方案的基础上，所述顶部浮空器上设置有实时跟踪定位的第二定位装置。
本申请提出的一种平流层系留浮空器平台，其有益效果主要如下：
(1)在系缆上同时设置具有不同高度的中间浮空器和顶部浮空器，能够有效的提
高浮空器的净浮力，增强浮空器对系缆重量的承受力，便于浮空器上升至平流层；
(2)中间浮空器与系缆之间通过高度调节装置相连，能够改变中间浮空器的高度
位置，避免中间浮空器受气候条件的不利影响或及时补充顶部浮空器净浮力不足的情况；
(3)高度调节装置通过设置同时动作的第一滑动调节件和第二滑动调节件，增强
高度调节装置运作的准确性和可靠性；
(4)采用主动轮和相应的从动轮用于夹紧/松开或解除高度调节装置与系缆的相
对状态，便于对中间浮空器的调控，且调控方式简单；
(5)高度调节装置与地面采用无线通信方式实现信息的交互联通，以便于远程控
制高度调节装置动作；
(6)中间浮空器上设置第一定位装置和风速计，便于对中间浮空器高度位置进行
实时的跟踪定位，并对其所在高度位置的气候条件进行监测；
(7)顶部浮空器上设置第二定位装置，便于对顶部浮空器的高度位置进行实时的
跟踪定位。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种平流层系留浮空器平台的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的一种平流层系留浮空器平台的高度调节装置的结构示
意图；
图3为根据本发明实施例的一种平流层系留浮空器平台的高度调节装置的结构示
意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1所示，一种平流层系留浮空器平台，其包括顶部浮空器1和中间浮空器3，
顶部浮空器1和中间浮空器3均连接在系缆2上，用于平台搭载荷载，并且，顶部浮空器1和中
间浮空器3处于不同的高度。
连接有顶部浮空器1和中间浮空器3的系缆2连接在地面系缆收放装置5上。
顶部浮空器1和中间浮空器3连接在系缆2上后，通过地面系缆收放装置5释放系缆
2，顶部浮空器1和中间浮空器3在浮力作用下，上升到指定高度。顶部浮空器1和中间浮空器
3上升到指定高度后，地面系缆收放装置5停止释放系缆2，顶部浮空器1和中间浮空器3停留
在指定高度位置。
在系缆2上增设中间浮空器3，能够有效增加系留浮空器平台的净浮力，提高了对
系缆2重量的承受能力。同时，对于承担相同重量的系缆2，低空中所需的浮空器体积比高空
中所需的浮空器体积小很多，通过在系缆2上增设高度较低的中间浮空器3，极大的提高了
浮空器的净浮力，以利于提高浮空器的上升高度，便于浮空器上升至平流层。
此外，浮空器的净浮力增加，能够有效的提高浮空器的承重能力，降低了浮空器的
体积，避免浮空器体积与系缆重量之间形成的正向反馈的不利影响，有利于顶部浮空器1顺
利上升至平流层的指定高度位置。
中间浮空器3的数量至少为一个，中间浮空器3位于顶部浮空器1的下方。根据系缆
2的重量、顶部浮空器1的高度位置、顶部浮空器1的体积大小，以及实施场地风场条件等因
素，综合考虑设置中间浮空器3的数量以及中间浮空器3高度位置的范围或中间浮空器3之
间的间隔距离。
顶部浮空器1按照预先设定的要求，上升至平流层高度，中间浮空器3位于顶部浮
空器1的下方，低于顶部浮空器1的高度。
由于中间浮空器3的高度低于顶部浮空器1的位置，并根据实际条件，设置多个中
间浮空器3，多个中间浮空器3与顶部浮空器1一起，有效的提高了浮空器对系缆2的重量的
承受能力，减小了浮空器的体积，有效的解决了浮空器难于长时间在平流层驻空的问题。
中间浮空器3的一端连接有高度调节装置4，高度调节装置4连接在系缆2上。高度
调节装置4能够相对于系缆2滑动位置，以调节中间浮空器3的高度位置或解除中间浮空器3
与系缆2的锁紧状态。
高度调节装置4包括固定座40，固定座40的下部设置第一滑动调节件41。第一滑动
调节件41由主驱动电机47驱动而动作，用于夹紧/松开系缆2，或者能够沿系缆2滑动。
第一滑动调节件41包括水平设置的第一主动轮410和第一从动轮411，系缆2夹紧
在第一主动轮410和第一从动轮411之间。第一主动轮410上连接有主驱动同步带46，主驱动
同步带46由主驱动电机47驱动。
当系缆2夹紧在第一主动轮410与第一从动轮411之间时，主驱动电机47驱动第一
主动轮410转动，使第一主动轮410相对于系缆2滑动，从而带动第一从动轮411也一起相对
于系缆2滑动，则高度调节装置4相对于系缆2滑动，带动连接在高度调节装置4上的中间浮
空器3改变高度位置。
第一从动轮411通过转轴连接在位于第一从动轮411一侧的第一支架415上，第一
支架415连接在第一丝杠412上并与第一丝杠412螺纹配合。第一丝杠412位于第一从动轮
411和第一主动轮410的一侧，并且第一丝杠412位于第一主动轮410一侧的另一端连接有第
一调节同步带44，第一调节同步带44由电机43驱动。
调节第一从动轮411水平移动位置的第一调节同步带44设置在第一主动轮410的
一侧，在保证第一丝杠412足够位移量的情况下，精简了装置的结构。
电机43驱动第一调节同步带44带动第一丝杠412旋转，旋转的第一丝杠412带动第
一支架415在水平方向移动位置，从而带动第一从动轮411在水平位置移动位置，靠近/远离
第一主动轮410，从而夹紧/松开第一主动轮410与第一从动轮411之间的系缆2。
固定架40上还固定设置有第一丝杠支座413，第一丝杠支座413设置在第一丝杠
412连接有第一调节同步带44的一端，并且与第一丝杠412垂直设置。第一丝杠支座413的两
端平行安装有与第一丝杠412平行且长度相同的第一导向杆414，第一支架415可滑动的连
接在两根第一导向杆414上。
当电机43驱动第一调节同步带44运转，第一调节同步带44带动第一丝杠412旋转，
旋转的第一丝杠412带动旋接在第一丝杠412上的第一支架415上相对于第一丝杠412滑动
位置，从而带动第一从动轮411相对于第一主动轮410发生位置变化，使第一从动轮411靠
近/远离第一主动轮410。由于第一支架415能够相对于第一导向杆414滑动，当第一支架415
由旋转的第一丝杠412带动而发生水平位移变化的同时，第一支架415也相对于第一导向杆
414滑动。
电机43由控制器48控制。当控制器48控制电机43的电流达到最大阈值时，电机43
驱动第一从动轮411靠近第一主动轮410，并压到最紧，高度调节装置4固定在系缆2上，连接
在高度调节装置4上的中间浮空器3保持在一定高度位置。
当控制器48控制电机43的电流达到中间阈值时，第一从动轮411与第一主动轮410
的压紧程度适中，使高度调节装置4能够相对于系缆2滑动以改变与高度调节装置4相连的
中间浮空器3的高度位置。
当控制器48控制电机43驱动第一丝杠412旋转，使旋接在第一丝杠412上的第一支
架415向远离第一主动轮410的方向运动，直至固定连接在第一支架415上的第一从动轮411
脱离第一丝杠412。由于第一丝杠412与第一导向杆414的长度相同，当第一从动轮411从第
一丝杠412上脱离时，也同时从第一导向杆414上脱离，第一滑动调节件41与系缆2解除锁紧
关系。
高度调节装置4还包括第二滑动调节件42。固定座40的下部设置第一滑动调节件
41，固定座40上部在与第一滑动调节件41的同侧设置第二滑动调节件42。第一滑动调节件
41与第二滑动调节件42具有相同的结构，且对称设置于固定架40的下部和上部。第一滑动
调节件41与第二滑动调节件42由主驱动电机47驱动而同步动作，分别用于同时夹紧/松开
系缆2，或者能够沿系缆2滑动。
第二滑动调节件42包括水平设置的第二主动轮420和第二从动轮421，系缆2夹紧
在第二主动轮420和第二从动轮421之间。第二主动轮420上连接主驱动同步带46，主驱动同
步带46由主驱动电机47驱动。
当系缆2夹紧在第二主动轮420与第二从动轮421之间时，主驱动电机47驱动第二
主动轮420转动，使第二主动轮420相对于系缆2滑动，从而带动第二从动轮421也一起相对
于系缆2滑动，则高度调节装置4相对于系缆2滑动，带动连接在高度调节装置4上的中间浮
空器3改变高度位置。
第二从动轮421通过转轴连接在位于第二从动轮421一侧的第二支架425上，第二
支架425连接在第二丝杠422上并与第二丝杠422螺纹配合。第二丝杠422位于第二从动轮
421和第二主动轮420的一侧，并且第二丝杠422位于第二主动轮420一侧的另一端连接有第
二调节同步带45，第二调节同步带45由电机43驱动。
调节第二从动轮412水平移动位置的第二调节同步带45设置在第二主动轮420的
一侧，保证第二丝杠422足够的位移的情况下，使装置结构更紧凑。
固定架40上还固定设置有第二丝杠支座423，第二丝杠支座423设置在第二丝杠
422连接有第二调节同步带45的一端，并且与第二丝杠422垂直设置。第二丝杠支座423的两
端平行安装有与第二丝杠422平行且长度相同的第二导向杆424，第二支架425可滑动的连
接在两根第二导向杆424上。
第一主动轮410与第二主动轮420由主驱动同步带46连接，主驱动同步带46由主驱
动电机47驱动。主驱动电机47驱动主驱动同步带46转动，主驱动同步带46同时带动第一主
动轮410和第二主动轮420转动，使第一主动轮410和第二主动轮420相对于系缆2同时发生
位置的变化，即同时相对于系缆2滑动位置。
将第一主动轮410与第二主动轮420直接用主驱动同步带46连接，由同一主驱动电
机47驱动而同步动作，使第一滑动调节件41与第二滑动调节件42同时动作，能够同时相对
于系缆2发生滑动，避免滑动不一致使系缆2松紧度变化而影响稳定运行。同时，也简化了结
构。
由电机43同时驱动的第一调节同步带44和第二调节同步带45同步动作，使第一从
动轮411靠近/远离第一主动轮410的动作，与第二从动轮421靠近/远离第二主动轮420的动
作同步。
采用对称设置在固定座40下部和上部的、具相同结构的第一滑动调节件41和第二
滑动调节件42同时夹紧/松开系缆2，使第一滑动调节件41与第二滑动调节件42与系缆2锁
紧、相对滑动或解除锁紧状态的动作同步，既提高作业平稳性、准确性和可靠性，又精简了
装置结构。
通过高度调节装置4，中间浮空器3能够相对于系缆2滑动，以改变中间浮空器3的
高度位置，从而增强中间浮空器3的使用安全性，增长其使用周期。
当中间浮空器3所在高度位置的气候条件发生变化，例如，中间浮空器3所在高度
位置的风速较大，可能导致中间浮空器3发生损坏的情况时，通过调节高度调节装置4，以改
变中间浮空器3的高度位置，避免中间浮空器3的意外损坏，增强中间浮空器3的使用安全。
随着驻空时间的增长，顶部浮空器1中的浮升气体会缓慢泄露而导致净浮力不足。
在一个具体的实施例中，通过在顶部浮空器1或中间浮空器3与系缆2之间设置拉力传感器，
以对顶部浮空器1或中间浮空器3的净浮力进行监控。
当顶部浮空器1出现净浮力不足的情况时，在地面附近将新的中间浮空器3通过高
度调节装置4连接到系缆2上。同时，调节紧靠顶部浮空器1、与中间浮空器3连接的高度调节
装置4，以调整对应的中间浮空器3的高度至平流层。
当某个中间浮空器3发生损坏造成浮力不足时，给对应的高度调节装置4发送指
令，高度调节装置4从系缆2上解除，从而解除掉损坏的中间浮空器3，并及时补充新的中间
浮空器3。
通过及时的补充新的中间浮空器3，并调整最靠近顶部浮空器1的中间浮空器3的
高度位置，实现浮空器总浮力的连续、在线补充，以延长系留平台的驻空时间，延长其使用
周期。
高度调节装置4还设置有无线通信模块49，采用无线通信方式实现与地面的信息
交互联通。通过该无线通信方式，在地面遥控高度调节装置4动作，以实现对应的中间浮空
器3改变高度位置，避免恶劣气候环境的不利影响或补充顶部浮空器1净浮力不足的现象。
采用无线通信方式实现对高度调节装置4的远距离控制，控制方式简单、有效，极
大的提高了系留平台的可操作性和可控性，便于对中间浮空器3高度位置的实时调整，提高
中间浮空器3高度位置调整的准确性。
在一个具体的实施例中，高度调节装置4采用LoRa的无线通信方式，实现与地面的
远距离通信，以便于从地面直接对中间浮空器3的高度位置进行调控。
在中间浮空器3上设置有风速计，用于检测中间浮空器3所在高度位置的风速。当
风速计检测到中间浮空器3所在高度位置的风速过大，可能会造成中间浮空器3的损坏时，
在地面通过无线通信控制高度调节装置4动作，使与该高度调节装置4对应的中间浮空器3
上升/降低高度，以调节中间浮空器3至风速较小的高度区域，避免中间浮空器3的损坏。
在中间浮空器3上设置有第一定位装置，用于实时跟踪定位中间浮空器3的高度位
置。在一个具体的实施例中，第一定位装置采用GPS。
高度调节装置4对根据气象条件或补充净浮力的要求调节中间浮空器3的高度位
置，设置在中间浮空器3上的第一定位装置能够实时的反馈中间浮空器3的高度位置，以便
于准确的调整顶部浮空器1和中间浮空器3的净浮力，合理的调整浮空器对系缆2重量的承
受能力。
在顶部浮空器1上设置有第二定位装置，用于实时跟踪定位顶部浮空器1的高度位
置。在一个具体的实施例中，第二定位装置采用GPS。
通过地面系缆收放装置5释放系缆，顶部浮空器1和中间浮空器3在浮力作用下上
升。顶部浮空器1上设置的第二定位装置能够实时的反馈顶部浮空器1的高度位置，以便于
顶部浮空器1准确的上升至平流层中指定的高度位置。
在一个具体的实施例中，地面系缆收放装置5采用固定在地面的绞盘。绞盘结构简
单，系缆2收放控制方式简便。
本发明的一种平流层系留浮空器平台，与地面系缆收放装置5相连的系缆2上依次
连接有高度位置不同的中间浮空器3和顶部浮空器1，中间浮空器3至少为一个。
中间浮空器3和顶部浮空器1的结合，能够有效的增加浮空器的净浮力，增强浮空
器对系缆2重量的承受能力，以便于顶部浮空器1长时间驻留在平流层中，避免浮空器驻留
在平流层时体积过大的问题。
在中间浮空器3上设置测量风速的风速计和跟踪定位的第一定位装置，便于对中
间浮空器3的高度位置和所在位置的风速状况进行实时监测。
根据中间浮空器3所在高度位置的气候条件或顶部浮空器1的使用状况，通过中间
浮空器3与系缆2连接的高度调节装置4准确调节中间浮空器3的高度位置，避免中间浮空器
3的损坏或及时补充顶部浮空器1的净浮力。
顶部浮空器1上设置跟踪定位的第二定位装置，以便于对顶部浮空器1的高度位置
进行实时的跟踪定位。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。