CN103303455A - 一种中小型伞式飞艇及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中小型伞式飞艇及其控制方法，包括软式艇体，软式艇体包括用于维形的蒙皮和设置在蒙皮内的多个气囊，蒙皮呈伞形结构且在蒙皮的下方形成有伞腔，各气囊对称设置在蒙皮内，蒙皮的顶端开设有与伞腔相通的伞顶孔，蒙皮顶部通过副连接线缆连接有引导伞，蒙皮的下部通过主连接线缆连接有有效载荷舱，使用时飞艇主要采用高空充气展开方式投入使用，艇体不充入气体，折叠压缩成较小体积，由高空飞机或其他设备带至高空后抛放，引导伞带动飞艇打开，同时充气设备向艇体内充气至一定压强。高空充气展开方式特别适合于一定域度范围内较多飞艇的投放工作，且可有效避免投放过程中侧风影响，使飞艇准确到达指定区域。

Description

一种中小型伞式飞艇及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种中小型伞式飞艇及其控制方法。

背景技术

平流层是对海拔20千米到100千米空间范围的一个通用性称谓，我国学术界所说的“亚太空”“超高空”“高高空”，也是指这一区域。

平流层和一般的太空、航空空间有不一样的特点。首先，它的气象条件更加优秀，没有云、雨，也没有大气湍流。像雷暴、闪电的天气也比较少，运行环境比较优良。此外，它的高度特殊，卫星无法在这么低的位置停留，另一方面空气密度较小，飞机必须以高速飞行才能保持在这个高度。因此平流层飞艇和卫星、飞机相比，具有它独特优势。与卫星相比，其成本非常便宜、机动性比较好，它可以实现卫星做不到的变轨、悬停、机动。另外，因为离地面比较近且有效载荷比较大可承载更先进的设备，其灵敏度和分辨率更高。与飞机相比，它的留空时间比较长，可对指定区域细致扫描，而且不需要强劲推力系统，雷达隐身性能特别好。

目前，全球很多国家均提出了平流层飞艇项目，以开发平流层资源。这种大型飞艇必须有能力维持在20km以上的高空，用于电讯服务和地球观测。因为它们的工作高度在平流层，因此对国际航线没有任何影响，也不会受对流层恶劣气候的干扰。此外，飞艇所需能源主要依靠太阳能供给，不会影响地球的环境、产生温室效应等。

由于平流层空气温度、密度、压强与地面均有很大不同，因此平流层飞艇在工作高度需要约14倍于地面状态的气囊体积，而且气囊内气体密度需要远小于地面状态。目前关于平流层飞艇项目基本均为大型飞艇，而对于某些项目而言，小型平流层飞艇已能够满足其使用需求。而受限于各种技术发展情况，世界上还未出现真正可稳定使用的平流层飞艇，在研或在制平流层飞艇主要采用以下几种方式：其一为采用超强扩展材料作为气囊蒙皮的软式飞艇，其二研究方向是为采用机械机构作动，改变其外形尺寸的硬式变体飞艇，其三为充气骨架空中展开飞艇。由于大型机械机构笨重难以解决、超强扩展材料研发困难且造价昂贵，因此大型飞艇研发缓慢，同时对于一些实验或商业项目而言，大型飞艇制造费用较高，实用性并不强。但目前在研平流层飞艇技术方向较难以适用于中小型飞艇。

专利申请号为200510090070.1的在先专利《变体式空天飞艇》公开了一种由艇体，设备舱，滑橇，主推进器和尾推进器组成的变体式空天飞艇。这种飞艇的艇体由分段的硬式蒙皮，航条，桁梁和可折叠式隔框组成，通过可折叠式隔框上的伸缩支杆和定长支杆协调动作使艇体剖面形状改变，从而达到艇容积的改变。这种变体飞艇在小型飞艇运用中存在一些缺陷，主要表现为：①机械结构笨重，占总重量比例较大，有效载重很难提升；②机械结构有制造限值，无法等比例缩小，所占空间比例上升，为保证足够升力，必须增大体积结构。

专利申请号为201010208004.0的在先专利《充气骨架空中展开式飞艇》公开了一种由艇体、尾翼、尾部推进器、连接件、有效载荷舱、太阳能电池板、头锥、第一辅助绳索、自动充气装置、第二辅助绳索和两个高空气球组成的充气骨架空中展开式飞艇。这种飞艇的艇体的维形件为蒙皮，纵向件为刚性骨架，环向件为充气骨架。飞艇利用高空气球进行辅助升空，飞艇在地面时为折叠状态，达到一定高度后靠内部预留氦气膨胀展开形成初步外形，达到预定高度后，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，保证飞艇气动外形。这种充气骨架空中展开式飞艇在运用中存在一些缺陷，表现为：①充气骨架适用于中小型飞艇，但为使飞艇升空，需要采用两个高空气球拉动升空，对辅助绳索及与辅助绳索连接处要求较高，且两个高空气球拉动升空既不利于艇体平衡操控也会在艇体纵向结构上产生很大弯矩；②到达一定高度后，高空气球内的填充气体难以回收，只能任其飞走，每次放飞均需浪费大量宝贵的填充气体与昂贵的高空气球；③飞艇下降时仅可通过调节其内部剩余气体量改变浮力控制飞艇下降，一般可控下降速度较慢，而小型飞艇较易受侧风影响，因此下降稳定性很难得到保障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种中小型伞式飞艇及其控制方法，使其避开了飞艇经低空到高空排空体积需发生很大变动同时囊体表面积需有极大扩展的技术难题，也避开了飞艇的缓慢上升过程使飞艇能够较准确到达预定区域，同时加速了下降过程，减少侧风等对飞艇降落的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中小型伞式飞艇，包括软式艇体，所述软式艇体包括用于维形的蒙皮和设置在蒙皮内的多个气囊，所述的蒙皮呈伞形结构且在蒙皮的下方形成有伞腔，所述各气囊对称设置在蒙皮内，

所述蒙皮的顶端开设有与伞腔相通的伞顶孔，蒙皮顶部通过副连接线缆连接有引导伞，所述副连接线缆的上端与引导伞相连接，副连接线缆的下端通过可脱开卡扣与蒙皮相连接，所述蒙皮的下部通过主连接线缆连接有有效载荷舱。

进一步的，所述蒙皮内对称设置有多根充气骨架，所述气囊和充气骨架（6）相间隔设置，

当各气囊充满气时，所述各气囊填充伞腔且在伞腔中部形成与伞顶孔相通的伞顶竖孔。

进一步的，所述气囊通过胶接或编织方式连接在蒙皮上。

进一步的，所述蒙皮的外表层安装有太阳能电池板。

进一步的，所述的气囊包括防老化层、阻气层、承力层和内封热层，防老化层采用聚氨酯制成，阻气层采用聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层采用聚氨酯制成，所述老化层、阻气层、承力层和内封热层之间采用胶黏剂填充。

进一步的，所述有效载荷舱上设置有用以调整飞艇位置的矢量推进系统。

进一步的，所述有效载荷舱底部设置有用于保证飞艇安全着陆的可收放式缓冲气囊。

一种小型伞式飞艇的控制方法，具有以下步骤：

a、发射前，飞艇的气囊和充气骨架均不充入气体，引导伞罩在蒙皮的上表面，有效载荷舱放置于蒙皮的伞腔内，引导伞、蒙皮和有效载荷舱形成半球式结构，由高空飞机带入预定高空抛放；

b、飞艇高空抛放后，引导伞打开，带动蒙皮外形展开，随后向气囊内充入气体，使飞艇悬浮在高空预定高度，随后引导伞脱落；

c、当飞艇准备下降时，将气囊内气体压缩或排出，使飞艇进入下降状态，而后飞艇在重力作用下蒙皮形成伞状开始下降；

d、当飞艇接近地面时，采用反向制动或采用缓冲气囊方式进行着陆操作。

进一步的，在所述步骤b中，在向气囊内充气的同时向充气骨架内充入高压气体使飞艇的外形打开。

进一步的，在所述步骤c中，充气囊内排出的气体从飞艇的顶部排出。

本发明的有益效果是：

（1）由于飞艇主要采用高空充气展开方式投入使用，艇体不充入气体，折叠压缩成较小体积，由高空飞机或其他设备带至高空后抛放，引导伞带动飞艇打开，同时充气设备向艇体内充气至一定压强。

高空充气展开方式特别适合于一定域度范围内较多飞艇的投放工作，并且飞艇采用快速伞式下降回收方式，因此在下降时可有效避免投放过程中侧风影响，并且通过矢量推进系统使飞艇准确到达指定区域。

（2）由于该飞艇进入预定高度后，由软式艇体内气囊提供维形支撑与浮力，飞艇不需要其他刚性结构，艇体重量较小，有效载荷系数较大。

（3）由于该飞艇准备下降时，将填充气体通过顶部放气孔排出，获得部分初始下降力，同时采用压缩装置将气囊内气体压缩存储，飞艇浮力减小，开始下降。飞艇下降过程中可直接将气囊内气体排尽，免去气体压力操纵以及艇体浮力控制。由于飞艇下降过程中成伞状结构，可有效增大下降时的气动阻力，使飞艇下降速度在可接受范围，同时飞艇下降速度可达常规飞艇数倍或更高，因此受侧风影响较小，可明显提高高空飞艇的降落回收精度。

（4）由于随着飞艇高度降低，由于空气密度逐渐增大，气动阻力随之增大，飞艇下降速度将随之减小，飞艇近地安全性更有保障。当飞艇即将着陆时，也可使用有效载荷舱底部缓冲保护装置进行安全着陆。

（5）由于该飞艇设计采用未充气形态在高空进行直接充气展开，下降前排出内部充填气体，地面基本不会受到填充气体影响，因此可以采用氢气作为内填充气体，能有效节省宝贵的氦气资源，降低整体使用成本。

（6）由于该飞艇放飞前在地面为未充气状态，降落后亦为未充气状态，可通过设备折叠存放，有效减少占地空间。

（7）由于该飞艇结构简单，降落返回后，通过安全检查、填充储气瓶与更换相应任务载荷即可再次投入使用，重复使用率较高。

（8）由于该飞艇为伞状设计，即使在空中出现突发漏气或其他情况导致无法正常留空使用，可直接进行伞降着陆，有效保障任务载荷安全。

（9）由于该飞艇降落时气囊处于未充气状态，因此在下降中出现突发情况时，可再次充入气体，以调整飞艇降落姿态。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是实施例1的飞艇结构示意图；

图2是实施例2的飞艇充气时的结构示意图；

图3是实施例2的飞艇在放去气囊内气体，开始下降时的结构示意图；

图4是飞艇未投放前，呈折叠状态的截面示意图；

图5是图4中A-A向的剖视图。

图中1、蒙皮，2、气囊，3、引导伞，4、有效载荷舱，5、伞顶孔，6、充气骨架，7、伞顶竖孔。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例一：如图1所示，一种中小型伞式飞艇，包括软式艇体，软式艇体包括用于维形的蒙皮1和设置在蒙皮1内的多个气囊2，气囊2为环形结构，蒙皮1呈伞形结构且在蒙皮1的下方形成有伞腔，各气囊2设置在伞腔内蒙皮1的内侧曲面上，气囊2和蒙皮1之间通过胶接或编织方式连接在一起，有效提高两者的连接强度。

为了提高飞艇在下降时的稳定性，蒙皮1的顶端开设有与伞腔相通的伞顶孔5，在蒙皮1的上表层还安装有太阳能电池板，蒙皮1顶部通过副连接线缆连接有引导伞3，副连接线缆的上端与引导伞3相连接，副连接线缆的下端通过可脱开卡扣与蒙皮1相连接，蒙皮1的下部通过主连接线缆连接有有效载荷舱4。有效载荷舱4上设置有用以调整飞艇位置的矢量推进系统以及设置有用于保证飞艇安全着陆的可收放式缓冲气囊。矢量推进系统可以控制飞艇在空中的位置，也可调整飞艇的降落位置。

气囊2由外向内依次为防老化层、阻气层、承力层和内封热层，防老化层采用聚氨酯制成，阻气层采用聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层采用聚氨酯制成，老化层、阻气层、承力层和内封热层之间采用胶黏剂填充。

实施例二：如图2图3所示，一种中小型伞式飞艇，包括软式艇体，软式艇体包括用于维形的蒙皮1和设置在蒙皮1内的多个气囊2和多根充气骨架6，充气展开后，软式艇体呈半球形结构，各气囊2和多根充气骨架6设置在艇腔内蒙皮1内，蒙皮1内的各个气囊2和多个充气骨架6相间隔设置，都通过胶接或编织方式连接在一起。

为了提高飞艇在下降时的稳定性，蒙皮1的顶端开设有与伞腔相通的伞顶孔5，当各气囊2充满气时，各气囊2填充艇腔且在艇腔中部形成与伞顶孔5相通的伞顶竖孔7，伞顶竖孔7两侧分别是气囊2充满气体时气囊2所填充的区域，两侧气囊2填充的区域的截面为伞形结构。

当飞艇在放掉气囊2内气体进行下降时，气囊2收缩并紧贴在蒙皮1内侧的曲面上，使蒙皮1下表面形成张紧、光滑的表面，使飞艇形成伞式下降。

在蒙皮1的上表层还安装有太阳能电池板，蒙皮1顶部通过副连接线缆连接有引导伞3，副连接线缆的上端与引导伞3相连接，副连接线缆的下端通过可脱开卡扣与蒙皮1相连接，蒙皮1的下部通过主连接线缆连接有有效载荷舱4。有效载荷舱4上设置有用以调整飞艇位置的矢量推进系统以及设置有用于保证飞艇安全着陆的可收放式缓冲气囊。

气囊2由外向内依次为防老化层、阻气层、承力层和内封热层，防老化层采用聚氨酯制成，阻气层采用聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层采用聚氨酯制成，老化层、阻气层、承力层和内封热层之间采用胶黏剂填充。

一种小型伞式飞艇的控制方法，具有以下步骤：

a、发射前，飞艇气囊2和充气骨架6均不充入气体，引导伞3罩在蒙皮1的上表面，有效载荷舱4放置于蒙皮1的伞腔内，引导伞3、蒙皮1和有效载荷舱4形成半球式结构，如图4图5所示，然后由高空飞机带入预定高空抛放；

b、飞艇高空抛放后，引导伞3打开，带动蒙皮1外形展开，随后向气囊2内充入气体，在向气囊2内充气的同时向充气骨架6内充入高压气体帮助飞艇的外形打开，使飞艇悬浮在高空预定高度，随后通过可脱开卡扣使引导伞3脱落；

c、当飞艇准备下降时，将气囊2内气体从飞艇的顶部排出，使飞艇获得部分向下推力，然后压缩气囊2内气体，使飞艇进入下降状态，而后飞艇在重力作用下蒙皮1形成伞状开始下降；在下降过程中软式艇体只提供了少量的浮力，飞艇整体在重力的作用下做加速下降，随着速度的增大，气囊2都紧贴在蒙皮1的内侧曲面上，飞艇整体成伞式下降，因此速度会渐渐稳定，随着高度降低，空气密度增大，阻力也就增大，飞艇的下降速度逐渐降低。

在下降过程中还可以通过设置在飞艇上的矢量推进系统实时调整降落的位置。

d、当飞艇接近地面时，打开缓冲气囊进行着陆操作，也可以采用反向制动方式使飞艇安全着陆。

本发明的飞艇在实际使用时具有以下优点，（1）由于飞艇主要采用高空充气展开方式投入使用，艇体不充入气体，折叠压缩成较小体积，由高空飞机或其他设备带至高空后抛放，引导伞3带动飞艇打开，同时充气设备向艇体内充气至一定压强。

高空充气展开方式特别适合于一定域度范围内较多飞艇的投放工作，并且飞艇采用快速伞式下降回收方式，因此在下降时可有效避免投放过程中侧风影响，并且通过矢量推进系统使飞艇准确到达指定区域。

（2）由于该飞艇进入预定高度后，由软式艇体内气囊2提供维形支撑与浮力，飞艇不需要其他刚性结构，艇体重量较小，增大了有效载荷系数。

（3）由于该飞艇准备下降时，将填充气体通过顶部放气孔排出，获得部分初始下降力，同时采用压缩装置将气囊2内气体压缩存储，飞艇浮力减小，开始下降。飞艇下降过程中可直接将气囊2内气体排尽，免去气体压力操纵以及艇体浮力控制。由于飞艇下降过程中成伞状结构，可有效增大下降时的气动阻力，使飞艇下降速度在可接受范围，同时飞艇下降速度可达常规飞艇数倍或更高，因此受侧风影响较小，可明显提高高空飞艇的降落回收精度。

（4）由于随着飞艇高度降低，由于空气密度逐渐增大，气动阻力随之增大，飞艇下降速度将随之减小，飞艇近地安全性更有保障。当飞艇即将着陆时，也可使用有效载荷舱4底部缓冲保护装置进行安全着陆。

（5）由于该飞艇设计采用未充气形态在高空进行直接充气展开，下降前排出内部充填气体，地面基本不会受到填充气体影响，因此可以采用氢气作为内填充气体，能有效节省宝贵的氦气资源，降低整体使用成本。

（6）由于该飞艇放飞前在地面为未充气状态，降落后亦为未充气状态，可通过设备折叠存放，有效减少占地空间。

（7）由于该飞艇结构简单，降落返回后，通过安全检查、填充储气瓶与更换相应任务载荷即可再次投入使用，重复使用率较高。

（8）由于该飞艇为伞状设计，即使在空中出现突发漏气或其他情况导致无法正常留空使用，可直接进行伞降着陆，有效保障任务载荷安全。

（9）由于该飞艇降落时气囊2处于未充气状态，因此在下降中出现突发情况时，可再次充入气体，以调整飞艇降落姿态。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种中小型伞式飞艇，其特征是：包括软式艇体，所述软式艇体包括用于维形的蒙皮（1）和设置在蒙皮（1）内的多个气囊（2），所述的蒙皮（1）呈伞形结构且在蒙皮（1）的下方形成有伞腔，所述各气囊（2）对称设置在蒙皮（1）内，

所述蒙皮（1）的顶端开设有与伞腔相通的伞顶孔（5），蒙皮（1）顶部通过副连接线缆连接有引导伞（3），所述副连接线缆的上端与引导伞（3）相连接，副连接线缆的下端通过可脱开卡扣与蒙皮（1）相连接，所述蒙皮（1）的下部通过主连接线缆连接有有效载荷舱（4）。

2.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述蒙皮（1）内对称设置有多根充气骨架（6），所述气囊（2）和充气骨架（6）相间隔设置，

当各气囊（2）充满气时，所述各气囊（2）填充伞腔且在伞腔中部形成与伞顶孔（5）相通的伞顶竖孔（7）。

3.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述气囊（2）通过胶接或编织方式连接在蒙皮（1）上。

4.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述蒙皮（1）的外表层安装有太阳能电池板。

5.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述的气囊（2）包括防老化层、阻气层、承力层和内封热层，防老化层采用聚氨酯制成，阻气层采用聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层采用聚氨酯制成，所述老化层、阻气层、承力层和内封热层之间采用胶黏剂填充。

6.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述有效载荷舱（4）上设置有用以调整飞艇位置的矢量推进系统。

7.根据权利要求1所述的一种中小型伞式飞艇，其特征是：所述有效载荷舱（4）底部设置有用于保证飞艇安全着陆的可收放式缓冲气囊。

8.一种根据权利要求1至7中任意一项所述的中小型伞式飞艇的控制方法，其特征是：具有以下步骤：

a、发射前，飞艇的气囊（2）和充气骨架（6）均不充入气体，引导伞（3）罩在蒙皮（1）的上表面，有效载荷舱（4）放置于蒙皮（1）的伞腔内，引导伞（3）、蒙皮（1）和有效载荷舱（4）形成半球式结构，由高空飞机带入预定高空抛放；

b、飞艇高空抛放后，引导伞（3）打开，带动蒙皮（1）外形展开，随后向气囊（2）内充入气体，使飞艇悬浮在高空预定高度，随后引导伞（3）脱落；

c、当飞艇准备下降时，将气囊（2）内气体压缩或排出，使飞艇进入下降状态，而后飞艇在重力作用下蒙皮（1）形成伞状开始下降；

d、当飞艇接近地面时，采用反向制动或采用缓冲气囊方式进行着陆操作。

9.根据权利要求8所示的一种中小型伞式飞艇的控制方法，其特征是：在所述步骤b中，在向气囊（2）内充气的同时向充气骨架（6）内充入高压气体使飞艇的外形打开。

10.根据权利要求8所示的一种中小型伞式飞艇的控制方法，其特征是：在所述步骤c中，充气囊（2）内排出的气体从飞艇的顶部排出。

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