CN103276938A - 一种耸入高空的充压结构体 - Google Patents

Abstract

一种耸入高空的充压结构体，用于搭建高空输送平台。它包括底座、圆柱管、介质注入口和介质注入管道，所述圆柱管外面套装加强布衣套，圆柱管固定在底座上，其顶部封口，所述底座固定在地面上，圆柱管和底座构成密封腔体，所述密封腔体的顶部设有顶盖载物结构，所述介质注入口设在密封腔体上，它与介质注入管道连通。本发明有助于实现多种高空实践活动，降低了高空作业成本，从而促进了人类高空实践活动的发展。

Description

一种耸入高空的充压结构体

技术领域

本发明涉及一种用于完成高空输送任务的可耸入高空的充压结构体。

背景技术

目前，人们在高空进行的生产实践活动涉及气象观测、航空航天、无线通讯、科学研究等诸多领域。由于受到人类生理特征及大气环境的限制，上述高空作业成本巨大，如何利用简易的办法或工具实现上述高空实践活动是人类追求的目标。尽管如今世界上最高的建筑物（迪拜塔）已达828米，但向1000米、10000米高甚至100000米以上高层空间发展的建筑物或结构体的应用技术还是一项空白，制约着人类高空生产实践活动的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种有助于实现多种高空实践活动、降低高空作业成本、促进人类高空实践活动发展的耸入高空的充压结构体。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种耸入高空的充压结构体，它包括底座、圆柱管、介质注入口和介质注入管道，圆柱管固定在底座上，其顶部封口，所述底座固定在地面上，圆柱管和底座构成密封腔体，所述介质注入口设在密封腔体上，它与介质注入管道连通。

上述一种耸入高空的充压结构体，所述圆柱管外面套装加强布衣套，所述密封腔体的顶部设有顶盖载物结构。

上述耸入高空的充压结构体，所述介质注入管道上安装压力表和压力控制装置。

上述耸入高空的充压结构体，所述圆柱管外面还设置斜拉线，所述斜拉线下端固定在水平地面上。

上述耸入高空的充压结构体，所述圆柱管采用单级多层结构形式。

上述耸入高空的充压结构体，所述圆柱管的外面套装刚性支撑体，所述刚性支撑体为可伸缩的多层套装圆柱体结构。

上述耸入高空的充压结构体，它以串联方式组成多级充压柱，在上下两级充压柱之间设置加强筋。

上述耸入高空的充压结构体，它以并联方式组成并列充压柱，在并列充压柱的顶端设置载物平台。

上述耸入高空的充压结构体，它以串联与并联结合方式组成多级塔形充压柱，在上下两级塔形充气柱之间设置搭载平台。

上述耸入高空的充压结构体，它由两根以上充压柱并联为一个支撑单元，再由二个或二个以上的支撑单元组成支撑体，在支撑体顶端设置载物平台，所述载物平台中心开设通孔，在载物平台上设置滑轮组件、牵引绳和围栏，所述牵引绳穿过通孔直通地面，支撑体的底部固定于地面上。

本发明为适应不同环境条件要求，在其密封腔体内可分别充入气态和液态两种类型介质，也可同时充入气态和液态介质，液态介质多用于超高压细管腔体；本发明通过向密封腔体内充入具有一定压力的介质为耸入高空的充压结构体的顶盖载物结构提供托举力，用于承载高空活动物体的重量；本发明在圆柱管外面套装加强布衣套，该加强布衣套由高强材料制成，并混有可以防雷击和冰雪的导电发热纤维；本发明在介质充入管道上设置了压力表和压力控制装置，用于实现对填充介质压力的监测和控制，避免密封腔体因过载出现爆裂现象；本发明在圆柱管外面设置了斜拉线，提高了耸入高空的充压结构体的稳定性；本发明通过串联、并联及串联与并联的组合方式，可搭建不同高度及不同承载能力的耸入高空的充压结构体组合体，以适应不同的高空作业要求。本发明采用碳纳米管复合材料可使耸入高空的充压结构体重量减轻90%以上。总之，本发明有助于实现多种高空实践活动，降低了高空作业成本，从而促进了人类高空实践活动的发展。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明组成结构示意图；

图2是采用单级多层腔体结构形式充压柱示意图；

图3是刚性支撑体、密封腔体结构示意图；

图4是以串联方式组成多级充压柱示意图；

图5是以并联方式组成并列充压柱示意图；

图6是以串联与并联结合方式组成多级塔形充压柱示意图；

图7是3000米耸入高空的充压结构体示意图；

图8是1000米载人耸入高空的充压结构体示意图；

图9是图8中A-A剖面结构放大示意图；

图10是100000米耸入高空的充压结构体示意图；

图11是图10中B-B剖面结构放大示意图；

图12是本发明受力分析图；

图13是加强布衣套和圆柱管的局部放大示意图。

图中各标号清单为：1、顶盖载物结构， 2、加强布衣套， 3、圆柱管，3-1、填充介质注入口，4、底座，5、介质注入管道，6、压力表，7、压力控制装置，8、斜拉线，9、刚性支撑体，10、加强筋，11、载物平台，11-1、通孔，12、搭载平台，13、滑轮组件，13-1、牵引绳，14、围栏，15、充压柱辅分立柱，16、充压柱主柱，17、充压柱捆绑绳，18、充压柱分立柱。

具体实施方式

参看图 1，本发明包括底座4，圆柱管3，介质注入口3-1和介质注入管道5，所述圆柱管3外面套装加强布衣套2，圆柱管3固定在底座4上，其顶部封口，在圆柱管3外面设置斜拉线8，所述斜拉线8下端固定在水平地面上；所述底座4固定在水平地面上，圆柱管3和底座4构成密封腔体，所述介质注入口3-1设在密封腔体上，它与介质注入管道5连通；在密封腔体的顶部设有顶盖载物结构1，在密封腔体其他部位也可设载物或挂物结构；所述介质注入管道5上安装压力表6和压力控制装置7。

参看图1、图2，本发明的圆柱管3可采用单级多层结构形式。

参看图3，本发明可在圆柱管3的外面套装刚性支撑体9，所述刚性支撑体9为可伸缩的多层套装圆柱体结构。

参看图4，本发明以串联方式组成多级充压柱，在上下两级充压柱之间设置加强筋10。

参看图5，本发明以并联方式组成并列充压柱，在并列充压柱的顶端设置载物平台11。

参看图6，本发明以串联与并联结合方式组成多级塔形充压柱，在上下两级塔形充气柱之间设置搭载平台12。

参看图7，本发明的一个具体实施例，它为3000米耸入高空的充压结构体。采用直径5厘米尼龙膜管材，每米重10克，管子总长3000米，总质量30千克，底座4与地面刚性连接，底座4上有充气孔，顶部有封头，打爆压力为0.5Mpa。在空旷场所用空气压缩机一台，向充气孔充入压缩空气，当地面充气压力达到0.4MPa时整根充压柱会被顶直，将充气压力调至0.45MPa ，以使充压柱更加坚固。

参看图8、图9，本发明的一个最佳实施例，它为1000米载人充压柱。在直径5厘米尼龙膜管外套上碳纤维布材质的加强布衣套2，每米重17克，打爆压力为3MPa，将五根1000米充压柱并为一组，共三组，载物平台11底部与三组充压柱顶部封头固定连接，载物平台11中心开设通孔11-1，人可通过通孔11-1登上载物平台11，载物平台11上设置滑轮组件13、牵引绳和围栏14，牵引绳直通地面，三组充压柱上有斜拉线8，三组充压柱底部与地面刚性固定连接，整体充压柱质量约为300千克，在地面将它们组装好后同时向15根充压柱充气，当压力达到0.2MPa时全部充压柱会被顶直，形成1000米载人平台，将充气压力调至1.5MPa，将斜拉线8固定好，载物平台11顶部承载重量超过3000千克，可用于航天员跳伞训练和高空起重作业等活动。

参看图10、图11，本发明的又一个具体实施例，它为100千米高空实验充压柱，该高空实验充压柱由一个直径3.2厘米， 长100千米的充压柱主柱16，一个直径6.4厘米，长度60千米的充压柱分力柱18和两个直径3.2厘米，长度50千米的充压柱辅分力柱15组成，充压柱主柱16和充压柱分力柱18为两腔室结构，充压柱分力柱18和充压柱辅分力柱15通过充压柱捆绑绳17绑定在一起，充压柱主柱重14千克，充压柱分力柱16.8千克，每个充压柱辅分力柱14重7千克。实验充压柱总重44.8千克（不含注入氢气的重量）。

本实施例中，实验充压柱腔体由一种碳纤维复合材料制成，充压柱主柱16和充压柱辅分力柱15为同一种材料，每米0.14克，壁厚0.001毫米，其抗拉强度超过3500Mpa，材料密度为1.4克/立方厘米，打爆压力大于0.2 MPa；充压柱分力柱18每米0.28克，壁厚0.001毫米，材料抗拉强度超过3500Mpa，材料密度为1.4克/立方厘米，打爆压力大于0.1 MPa。

本实施例中，充压柱辅分力柱15受力情况分析如下：

设充压柱上下温度一致，大气压力随海拔高度升高而减小，海平面大气压约为0.1Mpa，6000米海拔高度大气压约为0.05 Mpa。（空气分子量约为29，氢气分子量为2，故本发明将充压柱充入氢气，当海平面处充气压力为0.1 Mpa时，84千米处降为0.05 MPa；当海平面处充气压力为0.2Mpa时，84千米处降为0.1 MPa，50千米处约为0.13 MPa，

因此每个辅分力柱顶部受到向上的气压推力为：

F=P×S（50千米处大气压力约为零，略去不计），

式中F---辅分力柱顶部受到向上的气压推力（牛顿），

P---辅分力柱顶部受到向上的压强（牛顿/平方厘米），

S---辅分力柱的横截面积（平方厘米），

g为重力加速度取值为10米/秒2，

F=P×S=0.13×10×3.14×1.6×1.6×10=104.5牛顿，

因此两个辅分力柱受到向上的推举力为：

2×104.5=209牛顿，

而每个辅分力柱重量为7千克，

两个辅分力柱在50千米顶部向60千米分力柱可以传递209-2×70=69牛顿的向上分力。

本实施例中，充压柱分力柱18受力情况分析如下：

将充压柱分力柱18充入氢气，海平面处充气压力为0.1 MPa，60千米处降为0.065 MPa。

充压柱分力柱18顶部受到向上的气压推力为：

F1=P1×S1（60千米处大气压力约为零，略去不计），

式中F1---充压柱分力柱顶部受到向上的气压推力（千克），

P1---充压柱分力柱顶部受到向上的压强（千克/平方厘米），

S1---充压柱分力柱的横截面积（平方厘米），

g为重力加速度取值为10米/秒2，

F1=P1×S1=0.065×10×3.14×3.2×3.2×3/4×10=156.7牛顿，

因此充压柱分力柱17受到向上的推举力为156.7牛顿，

设充压柱分力柱对充压柱主柱传递的推举力为F2，

F2=充压柱辅分力柱受到推举力+充压柱分力柱受到的推举力-充压柱分力柱重力=69+156.7-168=57.7牛顿。

本实施例中，充压柱主柱16受力情况分析如下：

将充压柱主柱16内充入氢气，海平面处充气压力为0.3 MPa（工作前先将充压柱分力柱充入0.1 MPa，充压柱主柱受到分力柱0.1 MPa压力，就可以充0.3 MPa压力，（采用分级减压就可做到）超过打爆压力0.1 MPa），100千米处降为0.13 MPa。

充压柱主柱顶部受到向上的气压推力为：

F3=P3×S3（100千米处大气压力约为零，略去不计），

式中F3---主柱顶部受到向上的气压推力（牛顿），

P3---充压柱主柱顶部受到向上的压强（牛顿/平方厘米），

S3---充压柱主柱的横截面积（平方厘米），

g为重力加速度取值为10米/秒2，

F3=P3×S3=0.13×10×3.14×1.6×1.6×10=104.5牛顿，

因此充压柱主柱受到向上的总推举力为F4：

F4= F3+F2-主柱重量，

=104.5+57.7-140=22.2牛顿，

根据以上数据和计算得出100Km充压柱可以立直。顶部还受到22.2牛顿向上推力。本发明还可以有多种组合方法实现100Km以上的充压柱。

将上述多个实验充压柱并联使用可以搭建航天平台。

参见图12 ，图中P11为充压结构体内底部压强；P21为充压结构体内顶部压强；P31为腔体外顶部受到的大气压强；S为充压柱内横截面积；W1为腔体壁的重力；W2为充入介质的重力；Y为腔体顶直后腔体顶部受到的拉应力，形成拉应力Y使充压柱平衡稳定，同时还要满足腔体不被充压介质打爆。

充压结构体一般计算公式为：

P21×S=W1+P31×S+Y------------（1）

P11×S=W1+W2+P31×S+Y------（2）

由2式-1式得到3式

P11×S- P21×S =W2---------------（3）

本发明中的氢气可采用惰性气体代替。

Claims (10)

1.一种耸入高空的充压结构体，其特征是，它包括底座（4）、圆柱管（3）、介质注入口（3-1）和介质注入管道（5），圆柱管（3）固定在底座（4）上，其顶部封口，所述底座（4）固定在地面上，圆柱管（3）和底座（4）构成密封腔体，所述介质注入口（3-1）设在密封腔体上，它与介质注入管道（5）连通。

2.根据权利要求1所述一种耸入高空的充压结构体，其特征是，圆柱管（3）外面套装加强布衣套（2），所述密封腔体的顶部设有顶盖载物结构（1）。

3.根据权利要求2所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，所述介质注入管道（5）上安装压力表（6）和压力控制装置（7）。

4.根据权利要求3所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，所述圆柱管（3）外面还设置斜拉线（8），所述斜拉线（8）下端固定在水平地面上。

5.根据权利要求4所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，所述圆柱管（3）采用单级多层结构形式。

6.根据权利要求5所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，所述圆柱管（3）的外面套装刚性支撑体（9），所述刚性支撑体（9）为可伸缩的多层套装圆柱体结构。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，它以串联方式组成多级充压柱，在上下两级充压柱之间设置加强筋（10）。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，它以并联方式组成并列充压柱，在并列充压柱的顶端设置载物平台（11）。

9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，它以串联与并联结合方式组成多级塔形充压柱，在上下两级塔形充气柱之间设置搭载平台（12）。

10.根据权利要求9所述的一种耸入高空的充压结构体，其特征是，它由两根以上充压柱并联为一个支撑单元，再由二个或二个以上的支撑单元组成支撑体，在支撑体顶端设置载物平台（11），所述载物平台（11）中心开设通孔（11-1），在载物平台（11）上设置滑轮组件（13）、牵引绳（13-1）和围栏（14），所述牵引绳（13-1）穿过通孔直通地面，支撑体的底部固定于地面上。

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