連波 毛潤澤 趙靜云

摘要：本設(shè)計構(gòu)想旨在利用飛艇的懸空穩(wěn)定性，以及在空中受到的信號阻礙小等優(yōu)勢，向固定區(qū)域進(jìn)行WIFI覆蓋。同時利用飛艇巨大的受光面積，在飛艇上鋪設(shè)太陽能薄膜電池使飛艇達(dá)到更長的留空時間。最終使飛艇能夠長時間并且穩(wěn)定的作為一個空中信號“基站”。

關(guān)鍵詞：系留飛艇；太陽能無線通訊；副氣囊

O引言

在現(xiàn)代生活中WiFi已經(jīng)成為了必不可少的設(shè)備，然而在許多場合下我們都沒有辦法獲取WiFi信號或者能獲取的信號強(qiáng)度非常弱，比如在大型的會場，體育賽事中，人流量巨大，地面上的WiFi受到的阻礙非常大，信號傳播受到限制。另外在森林等荒郊地區(qū)，由于太過偏僻，不易應(yīng)用WiFi設(shè)備，而且信號不能到達(dá)，這就需要一種新型的能夠提供WiFi信號的設(shè)備來解決人們上網(wǎng)的需求。并且要求這種設(shè)備能夠提供穩(wěn)定的信號，易于攜帶，信號強(qiáng)度高，覆蓋面積大。本設(shè)計方案將WiFi設(shè)備搭載于飛艇之上，利用太陽能為飛艇提供動力，同時滿足wifi設(shè)備電力需求。飛艇懸空的穩(wěn)定性以及在高空中信號阻礙較少的優(yōu)點(diǎn)，使WiFi可以方便地搭設(shè)，從而能夠?qū)⑿盘柾渡涞剿枰膮^(qū)域。

1設(shè)計方案

飛艇艇體采用仿生學(xué)水滴型型線構(gòu)建飛艇囊體外形，最大寬度位于囊體中部。飛艇尾部采用直線收尾形式，直線段長度與囊體最大寬度比值為0.45。此時囊體正面迎風(fēng)阻力較小，浮空穩(wěn)定性較強(qiáng)。

氣囊材料為層壓材料，由單層滌綸、聚脂薄膜與聚氟乙烯層壓而成，選用Hytrel作為膠合劑，通過高頻熱合的方式粘接。主氣囊內(nèi)部充滿氦氣提供升力，飛艇前后另有兩個副氣囊充填空氣，可根據(jù)需要充壓或放氣，以達(dá)到在不排放主氣囊內(nèi)氣體的條件下維持主氣囊內(nèi)外壓力差為定值。同時，前后副氣囊間的雙向風(fēng)扇還可調(diào)節(jié)飛艇浮力中心位置，正向旋轉(zhuǎn)向后氣囊充氣可使飛艇產(chǎn)生抬頭力矩，反向旋轉(zhuǎn)向前氣囊充氣可產(chǎn)生低頭力矩，用以調(diào)節(jié)飛艇俯仰。雙向風(fēng)扇工作時，空氣閥打開；雙向風(fēng)扇停止工作時，空氣閥關(guān)閉。囊體靠后位置靠近系留艇頂部設(shè)有壓縮氦氣囊和第一氦氣閥，用于升力不足時釋放氦氣提供升力。

頭錐壓條材料為木材與碳纖維，從飛艇端頭呈輻射狀延伸支撐艇體結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時使飛艇形成符合空氣動力學(xué)設(shè)計的囊體外形。艇首帽大小為艇囊直徑的12%，能夠?qū)⑾盗粞b置的反作用載荷分布到艇囊較大的面積上。除壓條與艇首帽外，系留環(huán)也位于飛艇頭部，通過纜繩與地面電動絞盤連接。吊艙中搭載有WiFi信號發(fā)生器，通過在高空中接收地面基站的4G信號，并轉(zhuǎn)化成WiFi信號向地面發(fā)射，從而能夠?yàn)橥ㄓ嵅槐愕膮^(qū)域提供無線信號。

飛艇采用的控制系統(tǒng)包括艇載飛行控制計算機(jī)、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換器和電源模塊，傳感器模塊將采集到系留艇的速度、高度、加速度、角速度信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器傳入艇載飛行控制計算機(jī)進(jìn)行分析處理，飛行控制計算機(jī)對尾翼、空氣閥和雙向風(fēng)扇發(fā)出控制指令信號，通過調(diào)整垂直尾翼活動面傾斜角度調(diào)節(jié)飛艇朝向，保證飛艇前端始終為迎風(fēng)面，通過雙向風(fēng)扇和空氣閥對兩個副氣囊中的空氣量進(jìn)行控制，從而調(diào)整飛艇俯仰；通過調(diào)整水平尾翼活動面傾斜角度產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，協(xié)助調(diào)整飛艇的俯仰姿態(tài)。

2性能分析

太陽能系留艇搭載有WiFi設(shè)備，可以充分發(fā)揮處在高空位置，信號覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在大型體育賽事、大型慶典活動、風(fēng)景區(qū)等需要大面積覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)的場合進(jìn)行部署，方便快捷、工作穩(wěn)定且成本低廉。同時，利用太陽能供電，蓄電池儲電實(shí)現(xiàn)24小時不間斷提供WiFi信號覆蓋?？紤]到WiFi信號穩(wěn)定的因素，省去常規(guī)飛艇的動力裝置，同時利用太陽能作為主要能源供給，航時持久。光照充足情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)24小時持續(xù)續(xù)航。

3結(jié)論

本文闡述了一種新型的太陽能WiFi系留艇設(shè)計方案，飛艇艇體鋪設(shè)太陽能薄膜陣列，利用飛艇巨大的受光面積產(chǎn)生姿態(tài)控制以及WiFi信號發(fā)射所需的能量。能夠充分發(fā)揮處在高空信號覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在大型體育賽事、大型慶典活動、風(fēng)景區(qū)等需要大面積覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)的場合進(jìn)行部署，方便快捷、工作穩(wěn)定且成本低廉，有著很大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亞偉，賈月紅，陳智謙，韓雅慧，楊春信.飛艇系留系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)仿真研究[J].航天返回與遙感，2012，（02）：93-99.

[2]鄢紅陵，張秋禹，張力，張軍平，尹常杰.太陽能電池在飛艇上的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2008，（05）：824-828.

[3]范珉一.小型無人飛艇飛行控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京理工大學(xué).2007.