CN101913424B - 充气骨架空中展开式飞艇 - Google Patents

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本发明公开了一种充气骨架空中展开式飞艇，它由艇体1、尾翼2、尾部推进器3、连接件7、有效载荷舱8、太阳能电池板9、头锥10、第一辅助绳索11、自动充气装置12、第二辅助绳索13和两个高空气球14组成，其特征在于所述艇体1的维形件为蒙皮4，纵向件为刚性骨架5，环向件为充气骨架6，所述充气骨架6通过连接件与刚性骨架5连接，所述蒙皮4固接在刚性骨架5与充气骨架6形成的网格的外表面上。克服在升空过程中，强风、涡流容易撕裂折叠状态的软式囊体与吊舱和其他刚性结构的连接部位。

Description

充气骨架空中展开式飞艇
技术领域
本发明涉及一种充气骨架空中展开式飞艇，属于航空航天技术领域。
背景技术
鉴于平流层飞艇的特殊工作高度环境，即空气稀薄(大约为地面大气密度的1/14)和气流平稳，在此环境条件下，为了维持囊体外形和保持结构刚度所需要的内外压差不是很大，因此所需的蒙皮材料强度和刚度要求就不是很高。而艇体在升空过程中要经受强风、涡流等天气因素的影响，由于平流层飞艇大多采用软式飞艇，需要保持一定的囊体内外压差以满足强度刚度条件，内外压差直接决定蒙皮张力，这就在一定程度上提高了蒙皮材料重量。
因此，美国学者提出了一种空中展开飞艇的概念。空中展开飞艇在地面处于柔性折叠状态，内部残余少量氦气，通过高压气球或其他升空装置进行辅助升空；随着升空高度的增加，外部大气压强的降低，飞艇内部的残余气体逐渐膨胀成形；到达工作高度，飞艇展开成形。
空中展开飞艇不改变平流层飞艇传统结构形式，只是通过改变升空方式达到蒙皮材料减重的目的。这种新型的平流层飞艇降低了蒙皮材料的强度要求，有望利用现有成熟的蒙皮材料技术研制完成平流层飞艇平台，因此其发展得到了广泛关注。
优点：空中展开飞艇的蒙皮设计只考虑工作高度的环境条件，避免低空大气对囊体的作用，在很大程度上降低了蒙皮材料的强度要求，达到了囊体结构轻量化目的；同时克服了地面停泊、存放大型飞艇的困难。
由于目前存在的空中展开飞艇大多采用软式囊体结构，因此其发展过程中还主要存在以下问题：首先，在工作高度蒙皮材料始终要承受保持囊体外形所需要的内部气压载荷，蒙皮材料强度要求还没有得到大幅度降低；其次，飞艇工作高度空气稀薄，为了提供飞艇驻空所需要的浮力，需要不断增大囊体体积，而蒙皮表面的张力与囊体直径直接相关。因此，空中展开飞艇囊体强度的要求决定其体积不能过大，这就限制了空中展开飞艇的大型化；再者，在升空过程中，强风、涡流容易撕裂折叠状态的软式囊体与吊舱和其他刚性结构的连接部位，造成升空试验失败。同时软式囊体结构也给空中展开飞艇囊体结构的重复利用带来了一定的技术难题，所以在现有技术的条件下，空中展开飞艇的艇体一般是一次性使用。这些问题在一定程度上影响了空中展开飞艇顺利发展，有些甚至成为亟待解决的技术难题。
针对空中展开飞艇结构所面临的问题，需要对空中展开飞艇结构进行一定的改进，在继承空中展开飞艇优势的基础上克服其所存在的问题，得到一种更加合理、可靠的空中展开飞艇形式。分析研究表明，增加骨架系统成为解决上述问题的一个行之有效的方法。首先，骨架系统可以降低工作高度囊体的内外压差并分担蒙皮表面张力，降低蒙皮材料强度要求；其次，骨架系统的引入，为空中展开飞艇的大型化和重复利用奠定了基础；再者，骨架系统可以承担飞艇升空过程受到的强风、涡流作用，避免囊体撕裂。但骨架系统必须具有的良好的结构特性以及其与蒙皮的连接可靠性和匹配性，同时骨架重量需要得到一定的控制并满足折叠展开要求。
发明内容
本申请是专利申请CN101229848A的系列申请，对飞艇的纵横骨架的连接提出了进一步的改进。
本飞艇改变了软式飞艇囊体结构，增加了骨架系统，该骨架系统由充气环和碳纤维杆组成，不同于传统的硬式飞艇，硬式飞艇骨架重量重，不可折叠，一旦破坏不可恢复。本飞艇骨架则解决了上述问题，其骨架系统能够有效折叠并利用充气方式进行稳定可靠展开。同时，骨架系统的重量也比普通硬式骨架低，进一步实现了结构的轻量化。
充气骨架技术的引入，实现了飞艇地面和升空过程的有效折叠，克服了升空过程强风、涡流等恶劣天气的影响，降低了蒙皮材料的强度要求；充气后具有一定结构刚度和强度的充气骨架有效保持了囊体外形，降低了囊体内外压差，从而降低了蒙皮表面的张力，实现了囊体的轻量化；骨架系统还为空中展开飞艇的大型化与重复利用奠定了基础；升空过程中的刚性骨架承担外部载荷，大大提高了整个结构的安全性和可靠性。同时由于充气骨架采用超轻薄膜材料，刚性骨架采用超轻碳纤维杆，保证了骨架系统的重量要求以及与囊体的连接可靠性和兼容性。采用充气骨架作为新型空中展开飞艇的形状支撑结构，其折叠/展开技术、材料技术、加工成型技术、结构设计分析技术都比较成熟，并且具有形状自恢复能力，能够最大程度地降低空中展开飞艇研制风险，具有较好的发展潜力。
为了克服在升空过程中，强风、涡流容易撕裂折叠状态的软式囊体与吊舱和其他刚性结构的连接部位，本发明的技术方案是：一种充气骨架空中展开式飞艇，它由艇体1、尾翼2、尾部推进器3、连接件7、有效载荷舱8、太阳能电池板9、头锥10、第一辅助绳索11、自动充气装置12、第二辅助绳索13和一个高空气球14组成，其特征在于所述艇体1的维形件为蒙皮4，纵向件为刚性骨架5，环向件为充气骨架6，所述充气骨架6通过连接件与刚性骨架5连接，所述蒙皮4固接在刚性骨架5与充气骨架6形成的网格的外表面上，所述尾翼2设置在艇体1的尾部且与蒙皮4固接，所述尾部推进器3安装在艇体1的尾部端面上且与蒙皮4固接，所述有效载荷舱8通过第一辅助绳索11安装在艇体1外部的下方，所述第一辅助绳索11固接在蒙皮4上，所述太阳能电池板9安装在艇体1的上部部分区域且与蒙皮4固接，所述头锥10固装在艇体1的头部，所述自动充气装置12设置在艇体1的内部，且与充气骨架6连通，艇体1的内部有预留氦气；
其中所述的刚性骨架为纵向刚性碳纤维杆骨架21；所述的充气骨架为环向骨充气织物环22；在飞艇的纵向刚性碳纤维杆骨架21和环向充气织物环22连接处设计有连接件7，连接件分别为刚性连接部件18和柔性连接部件19，其中刚性连接部件18的作用是将纵向刚性碳纤维杆骨架21与环向充气织物环22连接在一起；而柔性连接部件19的作用是将蒙皮4与刚性连接部件18连接在一起，进而与纵向刚性碳纤维杆骨架21与环向充气织物环22连接在一起，组成体系；刚性连接部件由Ω形杆15，连接套管16和螺钉17组成；Ω形杆15采用铝材，形状为半圆杆段和两个成直角杆段的组合，其中每个直角杆段均与半圆杆段相切且对称放置；半圆杆段的作用是与环向充气织物环22充分接触，起到约束环向充气织物环22的作用；而直角杆段连接蒙皮4的杆段的作用是与蒙皮4连接，进而将环向充气织物环22约束在蒙皮4上；结构采用半圆而非整圆设计的目的是降低因环向充气织物环22的平移而导致蒙皮4的弯曲变形；连接套管16的材料也为铝材，为一圆筒形套管，两端分别插入纵向刚性碳纤维杆和Ω形杆15，使得纵向碳纤维杆与Ω形杆15在一条直线上，连接为一体，整体承力；螺钉17垂直于连接套管钉入连接套管中，固定Ω形杆和纵向碳纤维杆，避免因结构振动而导致各部件分离，材料也为铝材，密度为2.7g/cm3；柔性连接部件由自由面31、粘接面32和扣眼33组成；自由面31和粘接面32为一个整体，材料相同，材料采用和蒙皮相同的材料，为树脂基Kevlar平纹编织布或树脂基Vectran平纹编织布；柔性连接部件的自由面对折后将连接套管16包裹在其中，用绳索24穿过扣眼33固定。
所述充气骨架6是复合薄膜材料制成的充气环，所述蒙皮4材料的单位面积的重量为100g/m2-200g/m2，所述刚性骨架5由轻质高性能碳纤维复合材料制成。
利用高空气球进行辅助升空，飞艇在地面时为折叠状态，飞艇达到一定的高度后，飞艇靠艇体内部的预留氦气膨胀展开形成初步外形，当飞艇达到预定的工作高度后，通过自动充气装置向充气骨架内填充高压气体，形成具有一定刚度的充气骨架，支撑整个艇体，保证飞艇具有一定的气动外形。
附图说明
图1为飞艇结构示意图
图2为刚性连接部件示意图
图3为柔性连接部件示意图
图4为刚性连接部件与柔性连接部件连接示意图
图5为刚性连接部件、柔性连接部件与刚性骨架、充气骨架连接示意图
1、艇体；2、尾翼；3、尾部推进器；4、蒙皮；5、刚性骨架；6、充气骨架；7、连接件；8、有效载荷舱；9、太阳能电池板；10、头锥；11、第一辅助绳索；12、自动充气装置；13、第二辅助绳索；14、一个高空气球；15、Ω形杆；16、连接套管；17、螺钉；18、刚性连接部件；19、柔性连接部件；21、纵向刚性碳纤维杆骨架；22、环向充气织物环；23、胶；24、绳索；31、自由面；32、粘接面；33、扣眼
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。
由图1-图4可知，充气骨架空中展开式飞艇由艇体1、尾翼2、尾部推进器3、连接件7、有效载荷舱8、太阳能电池板9、头锥10、第一辅助绳索11、自动充气装置12、第二辅助绳索13和一个高空气球14组成，其特征在于所述艇体1的维形件为蒙皮4，纵向件为刚性骨架5，环向件为充气骨架6，所述充气骨架6通过连接件与刚性骨架5连接，所述蒙皮4固接在刚性骨架5与充气骨架6形成的网格的外表面上，所述尾翼2设置在艇体1的尾部且与蒙皮4固接，所述尾部推进器3安装在艇体1的尾部端面上且与蒙皮4固接，所述有效载荷舱8通过第一辅助绳索11安装在艇体1外部的下方，所述第一辅助绳索11固接在蒙皮4上，所述太阳能电池板9安装在艇体1的上部部分区域且与蒙皮4固接，所述头锥10固装在艇体1的头部，所述自动充气装置12设置在艇体1的内部，且与充气骨架6连通，艇体1的内部有预留氦气；
其中所述的刚性骨架为纵向刚性碳纤维杆骨架21；所述的充气骨架为环向骨充气织物环22；在飞艇的纵向刚性碳纤维杆骨架21和环向充气织物环22连接处设计有连接件7，连接件分别为刚性连接部件18和柔性连接部件19，其中刚性连接部件18的作用是将纵向刚性碳纤维杆骨架21与环向充气织物环22连接在一起；而柔性连接部件19的作用是将蒙皮4与刚性连接部件18连接在一起，进而与纵向刚性碳纤维杆骨架21与环向充气织物环22连接在一起，组成体系；刚性连接部件由Ω形杆15，连接套管16和螺钉17组成；Ω形杆15采用铝材，形状为半圆杆段和两个成直角杆段的组合，其中每个直角杆段均与半圆杆段相切且对称放置；半圆杆段的作用是与环向充气织物环22充分接触，起到约束环向充气织物环22的作用；而直角杆段连接蒙皮4的杆段的作用是与蒙皮4连接，进而将环向充气织物环22约束在蒙皮4上；结构采用半圆而非整圆设计的目的是降低因环向充气织物环22的平移而导致蒙皮4的弯曲变形；连接套管16的材料也为铝材，为一圆筒形套管，两端分别插入纵向刚性碳纤维杆和Ω形杆15，使得纵向碳纤维杆与Ω形杆15在一条直线上，连接为一体，整体承力；螺钉17垂直于连接套管钉入连接套管中，固定Ω形杆和纵向碳纤维杆，避免因结构振动而导致各部件分离，材料也为铝材，密度为2.7g/cm3；柔性连接部件由自由面31、粘接面32和扣眼33组成；自由面31和粘接面32为一个整体，材料相同，材料采用和蒙皮相同的材料，为树脂基Kevlar平纹编织布或树脂基Vectran平纹编织布；柔性连接部件的自由面对折后将连接套管16包裹在其中，用绳索24穿过扣眼33固定。
刚性连接部件采用Ω形杆而非采用直杆的优点是：增大了纵向刚性碳纤维杆骨架与环向骨充气织物环的接触面积，使它们之间连接更加牢固；避免了在环向骨充气织物环与蒙皮之间加入直杆而造成的空隙；采用Ω形杆相比采用直杆时中间部分具有一定的缓冲空间，当对艇体进行折叠展开过程时起到缓冲作用，不易折断。
所述充气骨架6是复合薄膜材料制成的充气环，所述蒙皮4材料的单位面积的重量为100g/m2-200g/m2，所述刚性骨架5由轻质高性能碳纤维复合材料制成。
利用高空气球进行辅助升空，飞艇在地面时为折叠状态，飞艇达到一定的高度后，飞艇靠艇体内部的预留氦气膨胀展开形成初步外形，当飞艇达到预定的工作高度后，通过自动充气装置向充气骨架内填充高压气体，形成具有一定刚度的充气骨架，支撑整个艇体，保证飞艇具有一定的气动外形。

Claims (3)

1.一种充气骨架空中展开式飞艇，它由艇体(1)、尾翼(2)、尾部推进器(3)、连接件(7)、有效载荷舱(8)、太阳能电池板(9)、头锥(10)、第一辅助绳索(11)、自动充气装置(12)、第二辅助绳索(13)和两个高空气球(14)组成；所述艇体(1)的维形件为蒙皮(4)，纵向件为刚性骨架(5)，环向件为充气骨架(6)，所述充气骨架(6)通过连接件(7)与刚性骨架(5)连接，所述蒙皮(4)固接在刚性骨架(5)与充气骨架(6)形成的网格的外表面上，所述尾翼(2)设置在艇体(1)的尾部且与蒙皮(4)固接，所述尾部推进器(3)安装在艇体(1)的尾部端面上且与蒙皮(4)固接，所述有效载荷舱(8)通过第一辅助绳索(11)安装在艇体(1)外部的下方，所述第一辅助绳索(11)固接在蒙皮(4)上，所述太阳能电池板(9)安装在艇体(1)的上部部分区域且与蒙皮(4)固接，所述头锥(10)固装在艇体(1)的头部，所述自动充气装置(12)设置在艇体(1)的内部，且与充气骨架(6)连通，艇体(1)的内部有预留氦气；其中所述的刚性骨架(5)为纵向刚性碳纤维杆骨架(21)；所述的充气骨架(6)为环向骨充气织物环(22)；在飞艇的纵向刚性碳纤维杆骨架(21)和环向充气织物环(22)连接处设计有连接件(7)，其特征在于：连接件分别为刚性连接部件(18)和柔性连接部件(19)，其中刚性连接部件(18)的作用是将纵向刚性碳纤维杆骨架(21)与环向充气织物环(22)连接在一起；而柔性连接部件(19)的作用是将蒙皮(4)与刚性连接部件(18)连接在一起，进而与纵向刚性碳纤维杆骨架(21)与环向充气织物环(22)连接在一起，组成体系；刚性连接部件由Ω形杆(15)，连接套管(16)和螺钉(17)组成；Ω形杆(15)采用铝材，形状为半圆杆段和两个成直角杆段的组合，其中每个直角杆段均与半圆杆段相切且对称放置；半圆杆段的作用是与环向充气织物环(22)充分接触，起到约束环向充气织物环(22)的作用；而直角杆段连接蒙皮(4)的杆段的作用是与蒙皮(4)连接，进而将环向充气织物环(22)约束在蒙皮(4)上；结构采用半圆而非整圆设计的目的是降低因环向充气织物环(22)的平移而导致蒙皮(4)的弯曲变形；连接套管(16)的材料也为铝材，为一圆筒形套管，两端分别插入纵向刚性碳纤维杆和Ω形杆(15)，使得纵向碳纤维杆与Ω形杆(15)在一条直线上，连接为一体，整体承力；螺钉(17)垂直于连接套管钉入连接套管中，固定Ω形杆和纵向碳纤维杆，避免因结构振动而导致各部件分离，材料也为铝材，密度为2.7g/cm3；柔性连接部件由自由面(31)、粘接面(32)和扣眼(33)组成；自由面(31)和粘接面(32)为一个整体，材料相同，材料采用和蒙皮相同的材料，为树脂基Kevlar平纹编织布或树脂基Vectran平纹编织布；柔性连接部件的自由面对折后将连接套管(16)包裹在其中，用绳索(24)穿过扣眼(33)固定。
2.根据权利要求1所述空中展开式飞艇，其特征在于所述充气骨架(6)是复合薄膜材料制成的充气环，所述蒙皮(4)材料的单位面积的重量为100g/m2-200g/m2，所述刚性骨架(5)由轻质高性能碳纤维复合材料制成。
3.根据权利要求1或2所述空中展开式飞艇的升空方法，其特征在于利用高空气球进行辅助升空，飞艇在地面时为折叠状态，飞艇达到一定的高度后，飞艇靠艇体内部的预留氦气膨胀展开形成初步外形，当飞艇达到预定的工作高度后，通过自动充气装置向充气骨架内填充高压气体，形成具有一定刚度的充气骨架，支撑整个艇体，保证飞艇具有一定的气动外形。
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