CN102673770B - 仿生鱼型临近空间浮空飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生鱼型临近空间浮空飞行器，包括外蒙皮、尾鳍、一个或多个充入空气的副气囊，所述外蒙皮由多个交替相连的第一硬肋和第一软肋形成，所述尾鳍由多个交替相连的第二硬肋和多个第二软肋形成，所述外蒙皮内充有浮力工质，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，当所述浮空飞行器升空至所述副气囊中的空气全部排出且形态稳定时，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构，而所述第一软肋、第二软肋、副气囊则采用高分子复合薄膜材料制成。

Description

仿生鱼型临近空间浮空飞行器

技术领域

本发明涉及仿生鱼型临近空间浮空飞行器，它是一种可应用于临近空间、平流层的通讯、侦查、对地观测、预警等的综合平台，属于浮空飞行器技术领域。

背景技术

浮空飞行器是利用轻于空气(Lighter-Than-Air,LTA)原理，具有动力控制、可操纵机动的飞行器。1783年11月21日，法国人最早发明了热气球，这是最早的浮空器。1852年，法国工程师吉法德在椭圆形的气球下吊装了一台3马力蒸气发动机和螺旋桨，制成了第一艘软式飞艇。1898年，德国的齐柏林伯爵首次设计和制造出了硬式飞艇LZ-1号，这种飞艇使用骨架保持气囊的外形，采用活塞式发动机作动力，因而飞行性能好，装载量大。1937年德国齐伯林公司的“兴登堡号”飞艇飞抵美国新泽西州的莱克赫斯特上空起火失事后，飞艇暂时退出了“黄金时代”。

但随精细化工技术发展，新型高强复合织物膜材、薄膜、固化技术，以及控制技术进展，新的军民用途需求，在1980年后，新型飞艇被欧美等发达国家高度重视和作为战略研发，各国竞相研制临近空间飞艇(平流层飞艇)或者临近空间浮空飞行器平台。基于常规软式飞艇原理的浮空飞行器平台是目前主要研究平台之一，外气囊内有巨大空气副气囊(84~92%外气囊容积)，通过鼓风机、阀门和压力控制系统，由鼓风机向副气囊内鼓风或由阀门排气，使副气囊内空气增加和减少，从而实现降落和升空，但这个上升下降过程方法消耗能量大、配套系统设备重，是目前研究难以克服瓶颈之一。高空零压气球或超压气球升空过程囊内零压，无稳定形态，难于控制。基于特殊构形的软式飞艇“高空哨兵，Hi-sentinel”，升空原理同气球，升空过程形态不稳定，达到气压高度后状态转换难以控制。这些浮空飞行器均采用螺旋桨产生推力，在30km以上高空，空气稀薄，螺旋桨效率很低，且其效率匹配点与低空不一致。

陈务军著的“膜结构工程设计”(中国建筑工业出版社，2005.3.)研究介绍常规软式飞艇构形、结构设计分析。

甘晓华著的“飞艇技术概论”(国防工业出版社，2005)介绍了常规飞艇体系总体、气动、结构设计。

陈萍编译的“美国陆军的高空轻于空气艇研究成果”(浮空器研究，2010，4(2)：32-38)介绍了美国的HAA、Hi-sentinel、ULDB计划。(原文：Michael,SteveSmith,Stavros Androulakakis.The High Altitude Lither Than Air Airship Efforts at theUS Army Space and Missile Defense Command/Army Forces Strategric Command.18th AIAA Lither Than Air Systems Technology conference,4-7May 2009.)。

W.J.Chen、W.W.Xiao著的“Structural Performance Evaluation Procedure forLarge Flexible Airship of HALE Stratospheric Platform Conception”(Journal ofShanghai Jiaotong University(Sci.Ed.).2007,E-11(2):293-300)研究了常规飞艇弹性分析理论与结构特性。

Y.Xu、M.Z.Q.Chen、W.J.Chen著的“Buckling and post-buckling of a pumpkinballoon”(AIAA SDM conference,2010.4.15.USA)研究了长驻空平台超压气球形态稳定性。

H.J.Gao、W.J.Chen、G.Y.Fu著的“Structural Design Conception and Analysisfor the Structural System of Large Flexible Airship”(J.of Shanghai Jiao Tong Univ.(Sci.).2010,E-15(6):756-62)研究了软式飞艇的结构体系与布局。

W.W.Xiao、W.J.Chen、G.Y.Fu著的“Wrinkle Analysis of the Space InflatableParaboloid Antenna”(J.of Shanghai Jiao Tong Univ.(Sci.).2011,E-16(1):24-33)研究了空间充气可展薄膜天线褶皱分析方法与褶皱特性。

陈务军、唐雅芳、任小强等著的“ETFE充气膜结构设计设计分析方法与数值分析特征研究”(空间结构，2010，16(4)：38-44)采用气囊膜，研究了气囊膜分析方法和结构特性。

高海健、陈务军、付功义著的“预应力薄膜充气梁模态分析方法及特性研究”(华南理工大学学报，2010，38(7)：135-140)采用充气梁，研究了充气梁分析方法和结构特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有浮空飞行器的不足，提供一种大型仿生鱼临近空间浮空飞行器，具有升空过程构形可变、零压，压力高度固化成形，副气囊控制浮力微调，身体和尾鳍仿生运动产生推力，系统超轻、耗能低、易升空、易达到临近空间气压高度、压力低、刚度大、载荷大，可用于临近空间浮空平台，作为对地观测、侦查等平台。

为实现这样的目的，本发明的大型仿生鱼临近空间浮空飞行器包括外蒙皮、尾鳍、一个或多个副气囊(鱼泡)、第一薄膜传感控制器、第二薄膜传感控制器。外蒙皮和尾鳍由硬肋和软肋交替连接而成低阻流线体，硬肋在浮空器升空至压力高度形态稳定后固化成硬肋。在升空过程，外蒙皮内充一定量氦气(与计算压力高度对应)，副气囊充一定的较小量空气，由5~10%净浮力提升浮空器升空，升空速度由释放配重量与速度控制。当升空至压力高度，外蒙皮和尾鳍充满且超压，由副气囊调节控制姿态和压力，硬肋在空间热环境下发生固化反应而固化为硬质薄壳。由特定布置于软肋段的第一薄膜控制器和第二薄膜控制器使软肋变形，使浮空器整体的变形按照特定模式，从而改变周围空气场运动，进而产生推力，使其抵抗风和巡航。

由此，本发明首先提供了一种用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的外蒙皮，所述外蒙皮由多个交替相连的硬肋和软肋形成，所述的硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，所述软肋则采用高分子复合薄膜材料制成，升空过程中所述的外蒙皮为非稳定形态，随升空高度的增加而逐渐膨胀，当升空至所述仿生鱼型临近空间浮空飞行器的副气囊中的空气全部排出，所述外蒙皮达到稳定形态时，所述的硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构。

在较佳的实施例中，所述高分子复合薄膜材料为以下材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。

本发明还提供了一种用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的尾鳍，所述尾鳍由多个交替相连的硬肋和软肋形成，所述的硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，所述软肋则采用高分子复合薄膜材料制成，当所述浮空飞行器升空至所述仿生鱼型临近空间浮空飞行器副气囊中的空气全部排出且形态稳定时，所述的硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构。

在其较佳的实施例中，所述高分子复合薄膜材料为以下材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。

本发明进而提供了一种仿生鱼型临近空间浮空飞行器，包括外蒙皮、尾鳍、一个或多个充入空气的副气囊，其特征在于所述外蒙皮由多个交替相连的第一硬肋和第一软肋形成，所述尾鳍由多个交替相连的第二硬肋和多个第二软肋形成，所述外蒙皮内充有浮力工质，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，当所述浮空飞行器升空至所述副气囊中的空气全部排出且形态稳定时，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构，而所述第一软肋、第二软肋、副气囊则采用高分子复合薄膜材料制成。

在本发明的一个较佳的实施例中，还包括设置在所述外蒙皮上的第一薄膜传感控制器和设置在所述尾鳍上的第二薄膜传感控制器，所述第一薄膜传感控制器用于控制所述第一软肋产生变形，所述第二薄膜传感控制器用于控制所述第二软肋产生变形。

在本发明的一个较佳的实施例中，浮力工质为氦气。

在本发明的另一个较佳的实施例中，净浮力为5~10%。

在本发明的另一个较佳的实施例中，当达到压力高度时，外蒙皮内的压力大于50Pa，小于300Pa。

在本发明的另一较佳的实施例中，所述高分子复合薄膜材料为下列材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。

本发明充分利用仿生鱼、空间充气可展薄膜结构与薄膜固化技术、浮空器的特点，实现大型仿生鱼临近空间浮空飞行器的升空容积小、可变构形，驻空超压、形态稳定、耗能低、可控性好、轻质、有效载荷大，可应用于大型临近空间浮空平台结构体系等。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的仿生鱼型临近空间浮空飞行器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为根据本发明的一个优选实施例的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，图中示出的是该仿生鱼临近空间浮飞行行器处于驻空稳定平衡形态时的侧面图。图中示出了外蒙皮1、尾鳍2、副气囊3、第一硬肋4、第一软肋5、第一薄膜传感控制器6、第二硬肋7、第二软肋8、第二薄膜传感控制器9、氦气10、空气11。如图所示，其中外蒙皮1包括多个交替相连的第一硬肋4和第二软肋5，且外蒙皮1的外形具有低的空气阻力。类似地，尾鳍2包括多个交替相连的第一硬肋7和第二软肋8。尾鳍2连接在由外蒙皮1构成的仿生鱼临近空间浮空飞行器的主体的尾部。在外蒙皮1上设置有第一薄膜传感控制器6，在第一薄膜传感器6的控制下，第一软肋5可变形以控制外蒙皮1的运动。在浮空飞行器的尾鳍部件2上，设置有第二薄膜传感控制器9，在第二薄膜传感控制器9的控制下，第二软肋8可变形以控制尾鳍2运动。外蒙皮1和尾鳍2有规律地运动以产生推力，从而抵抗风力对该浮空飞行器的作用和/或使该浮空飞行器进行巡航游动。外蒙皮1内充有浮力工质如气体氦气10以产生净浮力。在产生的净浮力作用下(例如5~10%的净浮力)，浮空器升空。通过释放配重来控制净浮力值以控制该仿生鱼型临近空间浮空飞行器的升空速度，升空过程中外蒙皮1为非稳定形态，即其会随着升空高度的增加而逐渐膨胀，副气囊3内可充入空气11以用于调节仿生鱼型临近空间浮空飞行器姿态和压力。当达到压力高度时(即当副气囊3中的空气全部排出时浮空飞行器所达到的高度)，外蒙皮超压(大于50Pa、小于300Pa)，形态稳定。在形态、压力稳定的空间辐射热环境下，第一硬肋4和第二硬肋7固化为刚性薄壁壳体结构。

本发明的构件尺寸、材料选择、工艺设计可针对具体应用确定，包括外蒙皮1长度和直径、尾鳍2的高度、第一硬肋4的宽度、第二软肋5的宽度、第二硬肋7的宽度、第二软肋8的宽度、副气囊3的个数和容积等。第一硬肋4和第二硬肋7可采用多层Kapton薄膜层合固化胶体，而第一软肋5、第二软肋8、副气囊3可采用高强、轻质、气密性好的高分子复合薄膜，如 (纤维强度由低到高)膜，内部压力可根据要求进行设计取值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的外蒙皮，其特征在于，所述外蒙皮由多个交替相连的硬肋和软肋形成，所述的硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，所述软肋则采用高分子复合薄膜材料制成，升空过程中所述的外蒙皮为非稳定形态，随升空高度的增加而逐渐膨胀，当升空至所述仿生鱼型临近空间浮空飞行器的副气囊中的空气全部排出，所述外蒙皮达到稳定形态时，所述的硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构。

2.如权利要求1所述的用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的外蒙皮，其特征在于，所述高分子复合薄膜材料为以下材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。

3.一种用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的尾鳍，其特征在于，所述尾鳍由多个交替相连的硬肋和软肋形成，所述的硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，所述软肋则采用高分子复合薄膜材料制成，当所述浮空飞行器升空至所述仿生鱼型临近空间浮空飞行器副气囊中的空气全部排出且形态稳定时，所述的硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构。

4.如权利要求3所述的用于仿生鱼型临近空间浮空飞行器的尾鳍，其特征在于，所述高分子复合薄膜材料为以下材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。

5.一种仿生鱼型临近空间浮空飞行器，包括外蒙皮、尾鳍、一个或多个充入空气的副气囊，其特征在于，所述外蒙皮由多个交替相连的第一硬肋和第一软肋形成，所述尾鳍由多个交替相连的第二硬肋和多个第二软肋形成，所述外蒙皮内充有浮力工质，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋采用多层Kapton薄膜层合固化胶体制成，当所述浮空飞行器升空至所述副气囊中的空气全部排出且形态稳定时，所述的第一硬肋和所述的第二硬肋在空间热辐射环境下固化为刚性薄壁壳体结构，而所述第一软肋、第二软肋、副气囊则采用高分子复合薄膜材料制成。

6.如权利要求5所述的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，其特征在于，还包括设置在所述外蒙皮上的第一薄膜传感控制器和设置在所述尾鳍上的第二薄膜传感控制器，所述第一薄膜传感控制器用于控制所述第一软肋产生变形，所述第二薄膜传感控制器用于控制所述第二软肋产生变形。

7.如权利要求5所述的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，其特征在于，所述的浮力工质为氦气。

8.如权利要求5所述的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，其特征在于，所述的升空净浮力为5～10％。

9.如权利要求5所述的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，其特征在于，当所述副气囊中的空气全部排出，所述外蒙皮内的压力大于50Pa，小于300Pa。

10.如权利要求5所述的仿生鱼型临近空间浮空飞行器，其特征在于，所述高分子复合薄膜材料为下列材料中的一种：膜、膜、膜、膜、膜。