系留式太阳能WiFi飞艇设计构想

    连波 毛润泽 赵静云

    

    

    摘要：本设计构想旨在利用飞艇的悬空稳定性，以及在空中受到的信号阻碍小等优势，向固定区域进行WIFI覆盖。同时利用飞艇巨大的受光面积，在飞艇上铺设太阳能薄膜电池使飞艇达到更长的留空时间。最终使飞艇能够长时间并且稳定的作为一个空中信号“基站”。

    关键词：系留飞艇；太阳能无线通讯；副气囊

    O引言

    在现代生活中WiFi已经成为了必不可少的设备，然而在许多场合下我们都没有办法获取WiFi信号或者能获取的信号强度非常弱，比如在大型的会场，体育赛事中，人流量巨大，地面上的WiFi受到的阻碍非常大，信号传播受到限制。另外在森林等荒郊地区，由于太过偏僻，不易应用WiFi设备，而且信号不能到达，这就需要一种新型的能够提供WiFi信号的设备来解决人们上网的需求。并且要求这种设备能够提供稳定的信号，易于携带，信号强度高，覆盖面积大。本设计方案将WiFi设备搭载于飞艇之上，利用太阳能为飞艇提供动力，同时满足wifi设备电力需求。飞艇悬空的稳定性以及在高空中信号阻碍较少的优点，使WiFi可以方便地搭设，从而能够将信号投射到所需要的区域。

    1设计方案

    飞艇艇体采用仿生学水滴型型线构建飞艇囊体外形，最大宽度位于囊体中部。飞艇尾部采用直线收尾形式，直线段长度与囊体最大宽度比值为0.45。此时囊体正面迎风阻力较小，浮空稳定性较强。

    气囊材料为层压材料，由单层涤纶、聚脂薄膜与聚氟乙烯层压而成，选用Hytrel作为胶合剂，通过高频热合的方式粘接。主气囊内部充满氦气提供升力，飞艇前后另有两个副气囊充填空气，可根据需要充压或放气，以达到在不排放主气囊内气体的条件下维持主气囊内外压力差为定值。同时，前后副气囊间的双向风扇还可调节飞艇浮力中心位置，正向旋转向后气囊充气可使飞艇产生抬头力矩，反向旋转向前气囊充气可产生低头力矩，用以调节飞艇俯仰。双向风扇工作时，空气阀打开；双向风扇停止工作时，空气阀关闭。囊体靠后位置靠近系留艇顶部设有压缩氦气囊和第一氦气阀，用于升力不足时释放氦气提供升力。

    头锥压条材料为木材与碳纤维，从飞艇端头呈辐射状延伸支撑艇体结构，加强局部结构强度的同时使飞艇形成符合空气动力学设计的囊体外形。艇首帽大小为艇囊直径的12%，能够将系留装置的反作用载荷分布到艇囊较大的面积上。除压条与艇首帽外，系留环也位于飞艇头部，通过缆绳与地面电动绞盘连接。吊舱中搭载有WiFi信号发生器，通过在高空中接收地面基站的4G信号，并转化成WiFi信号向地面发射，从而能够为通讯不便的区域提供无线信号。

    飞艇采用的控制系统包括艇载飞行控制计算机、传感器模块、A/D转换器和电源模块，传感器模块将采集到系留艇的速度、高度、加速度、角速度信息经A/D转换器传入艇载飞行控制计算机进行分析处理，飞行控制计算机对尾翼、空气阀和双向风扇发出控制指令信号，通过调整垂直尾翼活动面倾斜角度调节飞艇朝向，保证飞艇前端始终为迎风面，通过双向风扇和空气阀对两个副气囊中的空气量进行控制，从而调整飞艇俯仰；通过调整水平尾翼活动面倾斜角度产生相应的扭矩，协助调整飞艇的俯仰姿态。

    2性能分析

    太阳能系留艇搭载有WiFi设备，可以充分发挥处在高空位置，信号覆盖范围广的优势，在大型体育赛事、大型庆典活动、风景区等需要大面积覆盖无线网络的场合进行部署，方便快捷、工作稳定且成本低廉。同时，利用太阳能供电，蓄电池储电实现24小时不间断提供WiFi信号覆盖。考虑到WiFi信号稳定的因素，省去常规飞艇的动力装置，同时利用太阳能作为主要能源供给，航时持久。光照充足情况下，能够实现24小时持续续航。

    3结论

    本文阐述了一种新型的太阳能WiFi系留艇设计方案，飞艇艇体铺设太阳能薄膜阵列，利用飞艇巨大的受光面积产生姿态控制以及WiFi信号发射所需的能量。能够充分发挥处在高空信号覆盖范围广的优势，在大型体育赛事、大型庆典活动、风景区等需要大面积覆盖无线网络的场合进行部署，方便快捷、工作稳定且成本低廉，有着很大的发展前景。

    参考文献：

    [1]王亚伟，贾月红，陈智谦，韩雅慧，杨春信.飞艇系留系统静态与动态仿真研究[J].航天返回与遥感，2012，（02）：93-99.

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