CN103303457A - 一种软硬混合式飞艇及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软硬混合式飞艇及其控制方法，在硬式艇体上设置外挂囊体，外挂囊体的外气囊与硬式艇体的内气囊通过可控连通阀连通，并且在外挂囊体的外侧与硬体艇体之间设置可以收放外挂囊体体积的连接构件，在使用时，通过打开可控连通阀，使内气囊中的气体进入外气囊中，增大飞艇的排空体积，保持够的升力，通过压缩飞艇内气体以及使用连接构件压缩内气囊中的气体，使飞踢体积变小开始下降。本发明通过增挂外挂囊体，有效避免硬式艇体内外压差的显著上升，确保飞艇安全，并且通过增大外挂囊体体积保持空气浮力，避免内气囊向外释放氦气的缺陷。

Description

一种软硬混合式飞艇及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种软硬混合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，由于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，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。他们各有优缺点，方法一所述软式飞艇对蒙皮扩展性能要求极高，现有材料无法达到相应要求，因此仍处于研制中；方法二所述变体飞艇在高空能有相当良好的体积改变范围，理论上从最小容积到最大容积有6～8倍的容积变化，但飞艇结构尺寸较大，一般径向半径可达数十米，如此长的作动系统极易造成失稳等问题且质量较大；方法三采用高空气球带动飞艇升空，飞艇仅在到达预期高度后填充少量气体即可在高空工作，但此法既会造成升空用高空气球与其内部大量氦气的极度浪费，而且在下降过程中需要艇体结构变形，对艇体结构要求较高。

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。这种变体飞艇在实际运用中存在一些缺陷，表现为：①变体过程中径向蒙皮连接处有较大相对运动，又需要保持气密性能，实现难度较大；②飞艇径向尺寸一般可达数十米，因此伸缩支杆需极为细长，很容易造成失稳；③整个飞艇的伸缩支杆均通过隔框中心加强板连接，当飞艇纵向受力不均匀时，在中心加强板上会产生很大的力矩。④飞艇需要贯穿整个纵向的中心加强以及分布各处的伸缩支杆等作动组件支撑，在保证足够刚度、强度的要求下，所增加的重量将相当大。

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极高，且两个高空气球拉动升空即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为保证飞艇在高空悬浮，需要较大体积，在下降过程中必须减小很大部分体积以降低空气浮力，因此，在下降过程中需要释放充气骨架内高压气体，无法保证艇体变形量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种软硬混合式飞艇及其控制方法，改变了传统飞艇硬式、半硬式或软式结构，采用软硬混合式结构，保证了中低空位置的有效飞行，解决了平流层高空飞艇需要更大排空体积以保持足够升力的难题，同时不像其他变体飞艇等需要额外增加很多大尺寸刚性构件，可以单独依靠外挂气囊进行紧急迫降等操作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种软硬混合式飞艇，包括硬式艇体，所述硬式艇体包括内气囊、用于径向支撑的隔框和用于抽取内气囊中气体的压缩装置，所述硬式艇体上方连接有外挂囊体，所述外挂囊体包括外气囊和维形蒙皮，

所述硬式艇体顶部与外挂囊体底部之间设置有用于连通硬式艇体的内气囊和外挂囊体的外气囊的可控连通阀，所述硬式艇体内设置有用于控制可控连通阀启闭的电控开关，

所述外挂囊体的两侧与硬式艇体之间通过连接构件连接，所述连接构件包括固定卡扣、作动器和连接线缆，所述固定卡扣的一端与硬式艇体相固定连接，固定卡扣的另一端与用于收放连接线缆的作动器相连接，所述连接线缆的上端与外挂囊体相连接，连接线缆的下端与作动器相连接，所述作动器收紧连接线缆带动外挂囊体的外气囊做收缩运动。

进一步的，所述固定卡扣固定在用于径向支撑的隔框上，所述固定卡扣与隔框采用螺栓连接固定。

进一步的，所述外挂囊体底部与硬式艇体之间采用胶接或编织方式连接。

进一步的，所述外挂囊体的外表层安装有太阳能电池板。

进一步的，所述外挂囊体的维形蒙皮包括内热封层、承力层、阻气层和防老化层，所述防老化层为聚氨酯制成，阻气层为聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层为聚氨酯制成，所述内热封层、承力层、阻气层和防老化层之间采用胶黏剂填充。

进一步的，所述硬式艇体的下部通过连接线缆吊装有有效载荷舱。

进一步的，所述连接线缆采用碳纤维材质制成。

一种软硬混合式飞艇的控制方法，具有以下步骤：

a、在飞艇起飞时，外挂囊体贴服于硬式艇体的表面，然后按常规操作起飞硬式艇体；

b、随着飞艇上升，外界空气密度、压强减小，通过电控开关开启可控连通阀，使内气囊中气体进入到外气囊使外气囊随之膨胀，增大飞艇的排空体积，使飞艇保持浮力继续上升；

c、当飞艇到达预定高度时，通过压缩或释放飞艇中气体保证飞艇内气体的压力范围，控制飞艇的排空体积，从而控制飞艇的浮力，使飞艇漂浮在预定高度；

d、当飞艇准备下降时，开启压缩装置和可控连通阀，压缩装置压缩内气囊中气体，同时通过作动器收紧连接线缆，使外气囊中气体在压力差的作用下进入内气囊，飞艇排空体积减小，飞艇开始下降；

e、在下降过程中，待外气囊中气体进入内气囊后，关闭可控连通阀，并通过固定卡扣锁紧作动器，使外挂囊体贴服于硬式艇体外表面，然后按照常规硬式艇体降落方式进行下降。

进一步的，在所述步骤c中，待飞艇的排空体积控制好后，所述连接线缆由固定卡扣进行固定，并关闭可控连通阀。

本发明的有益效果是：（1）由于该飞艇从地面起飞时，外挂囊体未充气，贴服于硬式艇体外表面，因此可按照常规硬式飞艇起飞操作即可，无需其他特殊操作，简单便捷。

（2）由于该飞艇进入一定高度后，硬式艇体内气体可逐步通过可控连通阀进入外挂囊体，既可防止硬式艇体内外压差显著上升，同时增大外挂囊体体积保持空气浮力，因而内气囊中气体进入外气囊中可免去释放氦气的浪费或者将大量氦气压缩存储的能耗。

（3）由于该飞艇进入预定高度后，由硬式艇体与外挂囊体同时提供浮力，因此能保证足够的有效载荷。

（4）由于该飞艇下降时，使用压缩装置抽取硬式艇体内部分气体，同时打开连接构件拉动牵引线缆，并打开可控连通阀，使外挂囊体内气体在压差与连接线缆的作动下，使外挂囊体中的气体逐步进入硬式艇体内，飞艇排空体积减小，浮力降低，开始逐渐下降，因此，下降过程启动平稳缓和。随着下降过程，外界空气压力增大，压缩外挂囊体内气体加速进入硬式艇体内，外挂囊体体积进一步减小，下降过程稳定进行，因此无需较多的下降操纵能耗。

（5）由于该飞艇的太阳能电池板装于外挂囊体表层，因此有更多空间可以安装更多太阳能电池板，有效提升飞艇留空能力。

（6）由于该飞艇较常规低空飞艇仅增加外挂囊体与部分连接构件等，因此可以在现有常规低空飞艇基础上进行改装即可。

（7）由于该飞艇上升、下降过程均无需大量抽放、压缩气体，因此能够有效减少操纵能耗与气体损耗。

（8）由于该飞艇可通过可控连通阀关闭硬式艇体与外挂囊体连接，因此在紧急情况下可使用外挂囊体进行临时升降，安全性更高。

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为飞艇未启用外挂气囊时的横截面结构示意图；

图2为飞艇启用外挂气囊时的横截面结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4为内气囊和外气囊连通剖面示意图。

图5为飞艇在起飞过程中，外挂气囊未通气时的示意图。

图6为飞艇在一定高度时，外挂气囊内有部分气体时的示意图。

其中:1、硬式艇体，11、内气囊，2、外挂囊体，21、外气囊，22、维形蒙皮，3、连接构件，31、固定卡扣，32、作动器，33、连接线缆，4、可控连通阀，5、有效载荷舱，6、太阳能电池板。

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。

如图1～图6所示，一种软硬混合式飞艇，包括硬式艇体1，硬式艇体1包括用于头部维形的头锥、用于径向支撑的隔框、纵向维形件桁条、外形维形件蒙皮以及用于内部支撑的内气囊11，在硬式艇体1的尾部还连接有水平尾翼、垂直尾翼及推进器，在硬式艇体1的下部通过连接线缆吊装有有效载荷舱5，并且在硬式艇体1中还设置有用于抽取内气囊11中气体的压缩装置。

在硬式艇体1上方连接有外挂囊体2，外挂囊体2主要包括维形蒙皮22、外气囊21和纵向维形桁条，在硬式艇体1顶部与外挂囊体2底部之间设置有用于连通硬式艇体1的内气囊11和外挂囊体2的外气囊21的可控连通阀4。

如图4所示，可控连通阀4的上端与外气囊21连通，可控连通阀4的下端与内气囊11连通，为了便于对可控连通阀4控制，在硬式艇体1内设置有用于控制可控连通阀4启闭的电控开关，为了能够使飞艇上可以有更多的空间安装太阳能电池板6，有效提升飞艇的留空能力，因此在外挂囊体2的外表层还安装有太阳能电池板6。

外挂囊体2的维形蒙皮22包括由内向外设置的内热封层、承力层、阻气层和防老化层，为了能提高维形蒙皮22的维形性能，在内热封层、承力层、阻气层和防老化层之间采用胶黏剂填充。防老化层为聚氨酯制成，阻气层为聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层为聚氨酯制成。

为了提高外挂囊体2与硬式艇体1之间的连接强度，外挂囊体2底部与硬式艇体1之间采用胶接或编织方式连接。

外挂囊体2的两侧与硬式艇体1之间通过连接构件3连接，如图3所示，连接构件3包括固定卡扣31、作动器32和连接线缆33，固定卡扣31的一端固定在硬式艇体1内用于径向支撑的隔框上，并且固定卡扣31与隔框采用螺栓连接固定，固定卡扣31的另一端与用于收放连接线缆33的作动器32相连接，连接线缆33的上端与外挂囊体2相连接，连接线缆33的下端与作动器32相连接，作动器32收紧连接线缆33带动外挂囊体2的外气囊21做收缩运动。为了能有效提升连接线缆33的强度，连接线缆33采用碳纤维材质制成。

如图1、图2、图5和图6所示，一种软硬混合式飞艇的控制方法，具有以下步骤：

a、在飞艇起飞时，如图1和图5所示，外挂囊体2随重力贴服于硬式艇体1的表面，然后按常规操作，往硬式艇体1的内气囊11中充入一定压力的氦气，然后飞艇在浮力的作用下在中低空高度内开始慢慢上升。

b、随着飞艇上升，慢慢开始进入平流层，外界空气密度、压强减小，通过电控开关开启可控连通阀4，使内气囊11中气体进入到外气囊21使外气囊21随之膨胀，如图2所示，这时作动器32上的连接线缆33慢慢松开，增大飞艇的排空体积，使飞艇保持浮力继续上升；

c、当飞艇到达预定高度时，如图6所示，通过压缩装置压缩或释放飞艇中气体以保证飞艇内气囊11和外气囊21的压力范围，控制外气囊21的的排空体积，从而控制飞艇的浮力，当排空气体积控制好之后，关闭可控连通阀4，使外气囊21的气压和排空体积能更加的稳定，不受内气囊11气压的影响，使飞艇漂浮在预定高度；

在调控飞艇内气体压力的同时，作动器32上的连接线缆33也在做着相应的收放配合，当外气囊21和内气囊11的气压都控制好之后通过固定卡扣31将连接线缆33固定住，进一步控制飞艇的排空体积；

d、当飞艇准备下降时，开启压缩装置，压缩装置压缩内气囊11中气体，并且打开可控连通阀4，使外气囊21中的气体慢慢进入到内气囊11中，外气囊21的排空体积开始逐渐减小，在外气囊21体积逐渐减小的同时，作动器32开始收紧连接线缆33，使外气囊21中气体在压力差的作用下进入内气囊11，飞艇排空体积减小，飞艇开始下降；

e、在下降过程中，随着外界空气压力的增大，外界空气压缩外挂囊体2，使外气囊21中的气体加速进入硬式艇体1的内气囊11内，待外气囊21中气体进入内气囊11后，关闭可控连通阀4，并通过固定卡扣31锁紧作动器32和连接线缆33，使外挂囊体2贴服于硬式艇体1外表面，然后按照常规硬式艇体1降落方式进行下降。

采用本发明中的飞艇在使用时具有以下优点，（1）从地面起飞时，外挂囊体2未充气，贴服于硬式艇体1外表面，因此可按照常规硬式飞艇起飞操作即可，无需其他特殊操作，简单便捷。

（2）由于该飞艇进入一定高度后，硬式艇体1内气体可逐步通过可控连通阀4进入外挂囊体2，既可防止硬式艇体1内外压差显著上升的缺陷，同时还可以增大外挂囊体2体积保持空气浮力，因而内气囊11中气体进入外气囊21中可免去释放氦气的浪费或者将大量氦气压缩存储的能耗。

（3）由于该飞艇进入预定高度后，由硬式艇体1与外挂囊体2同时提供浮力，因此能保证足够的有效载荷。

（4）由于该飞艇下降时，使用压缩装置抽取硬式艇体1内部分气体，同时打开连接构件3拉动牵引线缆，并打开可控连通阀4，在压差与连接线缆33的作动下，使外挂囊体2中的气体逐步进入硬式艇体1内，飞艇排空体积减小，浮力降低，开始逐渐下降，因此，下降过程启动平稳缓和。随着下降过程，外界空气压力增大，压缩外挂囊体2内气体加速进入硬式艇体1内，外挂囊体2体积进一步减小，下降过程稳定进行，因此无需较多的下降操纵能耗。

（5）由于该飞艇的太阳能电池板6装于外挂囊体2表层，因此飞艇上可以有更多空间来安装太阳能电池板6，有效提升飞艇留空能力。

（6）由于该飞艇较常规低空飞艇仅增加外挂囊体2与部分连接构件等，因此可以在现有常规低空飞艇基础上进行改装即可。

（7）由于该飞艇上升、下降过程均无需大量抽放、压缩气体，因此能够有效减少操纵能耗与气体损耗。

（8）由于该飞艇可通过可控连通阀4关闭硬式艇体1与外挂囊体2连接，因此在紧急情况下可使用外挂囊体2进行临时升降，安全性更高。

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 (9)

1.一种软硬混合式飞艇，其特征是：包括硬式艇体（1），所述硬式艇体（1）包括内气囊（11）、用于径向支撑的隔框和用于抽取内气囊（11）中气体的压缩装置，所述硬式艇体（1）上方连接有外挂囊体（2），所述外挂囊体（2）包括外气囊（21）和维形蒙皮（22），

所述硬式艇体（1）顶部与外挂囊体（2）底部之间设置有用于连通硬式艇体（1）的内气囊（11）和外挂囊体（2）的外气囊（21）的可控连通阀（4），所述硬式艇体（1）内设置有用于控制可控连通阀（4）启闭的电控开关，

所述外挂囊体（2）的两侧与硬式艇体（1）之间通过连接构件（3）连接，所述连接构件（3）包括固定卡扣（31）、作动器（32）和连接线缆（33），所述固定卡扣（31）的一端与硬式艇体（1）相固定连接，固定卡扣（31）的另一端与用于收放连接线缆（33）的作动器（32）相连接，所述连接线缆（33）的上端与外挂囊体（2）相连接，连接线缆（33）的下端与作动器（32）相连接，所述作动器（32）收紧连接线缆（33）带动外挂囊体（2）的外气囊（21）做收缩运动。

2.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述固定卡扣（31）固定在用于径向支撑的隔框上，所述固定卡扣（31）与隔框采用螺栓连接固定。

3.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述外挂囊体（2）底部与硬式艇体（1）之间采用胶接或编织方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述外挂囊体（2）的外表层安装有太阳能电池板（6）。

5.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述外挂囊体（2）的维形蒙皮（22）包括内热封层、承力层、阻气层和防老化层，所述防老化层为聚氨酯制成，阻气层为聚酰胺制成，承力层为双轴向经编织物，内热封层为聚氨酯制成，所述内热封层、承力层、阻气层和防老化层之间采用胶黏剂填充。

6.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述硬式艇体（1）的下部通过连接线缆吊装有有效载荷舱（5）。

7.根据权利要求1所述的一种软硬混合式飞艇，其特征是：所述连接线缆（33）采用碳纤维材质制成。

8.一种根据权利要求1至7任意一项所述的软硬混合式飞艇的控制方法，其特征是：具有以下步骤：

a、在飞艇起飞时，外挂囊体（2）贴服于硬式艇体（1）的表面，然后按常规操作起飞硬式艇体（1）；

b、随着飞艇上升，外界空气密度、压强减小，通过电控开关开启可控连通阀（4），使内气囊（11）中气体进入到外气囊（21）使外气囊（21）随之膨胀，增大飞艇的排空体积，使飞艇保持浮力继续上升；

c、当飞艇到达预定高度时，通过压缩或释放飞艇中气体保证飞艇内气体的压力范围，控制飞艇的排空体积，从而控制飞艇的浮力，使飞艇漂浮在预定高度；

d、当飞艇准备下降时，开启压缩装置和可控连通阀（4），压缩装置压缩内气囊（11）中气体，同时通过作动器（32）收紧连接线缆（33），使外气囊（21）中气体在压力差的作用下进入内气囊（11），飞艇排空体积减小，飞艇开始下降；

e、在下降过程中，待外气囊（21）中气体进入内气囊（11）后，关闭可控连通阀（4），并通过固定卡扣（31）锁紧作动器（32），使外挂囊体（2）贴服于硬式艇体（1）外表面，然后按照常规硬式艇体降落方式进行下降。

9.根据权利要求8所述的一种软硬混合式飞艇的控制方法，其特征是：所述步骤c中，待飞艇的排空体积控制好后，所述连接线缆（33）由固定卡扣（31）进行固定，并关闭可控连通阀（4）。

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