1.一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,包括以下模块:数据采集模块:用于完成对临近空间内气象数据的探测,包括用于临近空间气象数据采集的温度传感器设备;
PCB功能模块:用于向探空仪系统内各部分提供用电,完成对采集到的气象数据的滤波处理以及模数转换处理,并完成采集数据的传输;
降落伞模块:用于临近空间探空仪的伞降过程,维持温探空仪在探测数据过程中的平稳下降;
天线复用模块:用于将单一功能的天线进行多功能复用,包括温度传感器单元、弹射装置单元、降落装置单元和天线的螺旋面状结构;具体为:温度传感器单元:用于利用天线的电磁特性,将天线复用为探空仪温度传感器,在升空阶段,探空仪置于探空火箭内部,利用天线的温度传感器复用功能,实时检测探空仪舱内的温度;
弹射装置单元:将天线设计成可压缩性的结构,复用为探空仪的弹射装置,在开伞阶段,利用压缩状态下天线恢复形变的力的作用将降落伞弹射至探空仪舱外;
降落装置单元:利用天线的线性,将天线复用降落装置,用于连接降落伞与探空仪,使探空仪在降落伞的牵引下保持较平稳的速度下降;
天线的螺旋面状结构:用于加快数据采集过程中探空仪在水平方向受到的风力作用时的风阻优化。
2.根据权利要求项1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的PCB功能模块包括模拟信号调理电路、ADC阵列、ARM处理器、低噪声电源、基准电源、接口电路和加热电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的将天线复用为探空仪温度传感器指的是:利用天线的电磁特性会受到温度的影响而变化这一特点,通过探空仪舱内天线的电磁性的变化来反映天线所处的舱内温度的变化,天线的阻值与舱内温度的转换公式如下: ;
其中 表示温度为 摄氏度时对应的阻值, 表示温度为0摄氏度时对应的天线阻值, 为天线的温度相关系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的复用为探空仪的弹射装置指的是:将天线设计成可压缩性结构复用为弹射装置,将天线压缩后放置在探空仪主控PCB以及伞舱中间位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的将天线复用临近空间探空仪的降落装置指的是:利用天线的线性特征,在降落伞被弹射出舱外后,由天线充当连接降落伞与探空仪的伞绳,借助天线压缩后恢复形变的初始过程起到开伞前的缓冲作用。
6.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的升空阶段具体为:升空阶段,携带降落伞伞舱的探空仪系统被放置在探空火箭前部,由探空火箭携带至中间层或热层的一定高度,探空火箭升空阶段能耗公式为: ;
其中 表示火箭本体的质量,由火箭结构质量 以及探空仪质量 组成;
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其中 表示火箭为了携带探空仪到指定空域所要携带的燃料质量,燃料质量与火箭本体质量 、火箭上升高度 以及误差系数 有关;
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其中 表示火箭任意时刻的瞬时质量;
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其中 表示火箭升空所需要的能量, 表示火箭发射初期的排气速度, 表示质量的变化量, 表示时间增量, 表示火箭升空期间排出推进剂的质量流率;
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为探空火箭的加速度,进一步推导得到,探空火箭速度增量表达式: ;
对等式两边同时积分能够得到火箭速度增量与排气速度以及火箭质量比的关系: ;
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其中 表示火箭质量比,由质量比能够看出火箭的运输效率,也就是消耗的燃料与能运送的酬载的比值,由此可知,探空仪结构简化减轻探空仪的配重能够降低探空火箭发射所需要的燃料质量。
7.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的开伞阶段具体为:开伞阶段,探空火箭上升到平流层上部至中间层中部后,启动探空火箭的分离控制器,完成探空仪的下投;探空仪下投后,经过一端时间的自由降落,借助天线压缩状态下恢复形变的力,将探空仪尾部的降落伞弹射出舱内,完成开伞操作;天线恢复形变所提供的力的大小计算公式如下: ;
其中 代表天线材料的剪切模量, 代表螺旋面状天线的面的厚度, 代表天线螺旋后的外径, 代表天线所绕的圈数, 代表天线由压缩状态到恢复自然状态前后的长度差。
8.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的伞降阶段具体为:伞降阶段,恢复形变后的天线一端与降落伞的相接、一端与主控PCB板相接,探空仪在降落伞的作用下,以较为平稳的速度下降至探测空域,伞降过程中,空气阻力的计算公式如下: ;
其中 表示当前的海拔高度, 表示高度尺度,是一个常数, 表示海平面处的空气密度, 表示当前高度 处的空气密度;
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其中 代表伞降过程中的空气阻力, 表示阻力系数, 表示空气密度, 表示迎风的面积, 表示下落的速度。
9.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的采集阶段具体为:采集阶段,探空仪到达探测空域后,主控PCB板上的温度传感器开始采集该空域的气象数据,经过信号处理后将采集到的有效数据发送到地面接收设备,此时由于天线系统的螺旋面状结构,探空仪的风阻计算公式如下:;
其中 表示风阻、表示所在空域大气密度,表示天线的横截面积,表示天线的风阻系数,表示探空仪采集阶段下降速度,在大气密度、风阻系数以及下降速度不变的情况下,风阻随着横截面积地增大而增大,风阻增大使探空仪加快探空仪水平方位调节机制的动态响应起到优化风阻的作用。
10.根据权利要求1所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统,其特征在于,所述的降落伞模块主要包括由尼龙布缝制的倒置的四棱锥形的降落伞,在降落伞顶部四个三角形面靠近公共顶点处各开一个厘米级的正方形面用网孔布料缝制,在降落伞顶部的正方形面的四条边外延用同样的网孔布料拼接出边缘,从而在降落伞出仓后借助风力将伞撑开,天线的一端与公共顶点相连,一端连接在主控PCB板上。