CN103434634B - 一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构 - Google Patents

Abstract

一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，它包括左右侧对接高强纤维增强层压复合通用蒙皮即左、右侧蒙皮、中间加强承载层、左、右侧连接缝纫线、内侧密封膜层以及左、右侧膜层密封胶层；左、右侧蒙皮为该对接结构的最底层，通过左、右侧连接缝纫线把中间加强承载层和左、右侧蒙皮连接在一起，内侧密封膜层为该对接结构的最顶层，并将上述接头包容盖住后通过两侧的左、右侧膜层密封胶层即胶黏剂与左、右侧蒙皮胶接。本发明解决了高空飞艇蒙皮材料对接过程中蒙皮材料焊接强度高和氦气泄露特性优良的技术难题，降低了高空飞艇在高空超压飞行过程中飞艇蒙皮材料由蒙皮对接处撕裂破坏的危险性，减少蒙皮高频焊接过程对飞艇整体强度的影响。

Description

一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构

技术领域

本发明涉及一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，可用于高空飞艇蒙皮对接、高强度密封气球通用焊接等，属于高空飞艇用结构设计技术领域。

背景技术

高空飞艇是指飞行高度在20千米到100千米空间范围的一种飞行器，随着当代科学技术的进步不断发展起来的一种新型临近空间多功能飞行平台，具有高空侦察、对地观测、通信中继、空间探测等诸多领域的应用优势，成为世界各国广泛研究的热点。飞艇蒙皮材料作为高空飞艇的主体材料，直接影响飞艇的飞行高度和超压强度，而高空飞艇蒙皮材料的对接方式则是影响飞艇蒙皮材料成型后整体强度和耐候性能的重要因素之一，也是研制高空飞艇的关键技术问题。

高空飞艇由于在工作高度上空气温度、密度、压强与地面处很大不同，飞艇在工作高度上的体积远大于地面状态，且飞艇气囊内部氦气的密度远小于地面状态，根据高空飞艇载重量的要求和空间飞行环境，飞艇蒙皮材料多为平纹编织轻质高强层压柔性复合材料，作为飞艇蒙皮材料的主承载纤维层，纤维束弯曲扭曲程度小、纤维性能保持率高、抗撕裂性能好、比强度高、稳定性、阻气性及耐久性能要求优良。目前，高空飞艇一般是由多块蒙皮对接拼合而成，而蒙皮对接处的强度性能、氦气渗透性以及耐候性能直接制约和决定高空飞艇飞行性能。高空飞艇蒙皮采用传统的单边粘胶高频焊接方法，两侧蒙皮焊接带边缘处的飞艇蒙皮材料的承载拉伸强度通常会降低25%～35%左右，严重影响高空飞艇飞行过程中的极限超压强度，甚至影响飞行高度，另外高空大气密度稀薄，太阳光紫外抽样辐射强度高，飞艇蒙皮材料还需承受昼夜高低温差变化，导致高空飞艇蒙皮对接处最先出现微小裂纹或初始缺陷，出现初始损伤后，飞艇蒙皮材料的整体承载强度和超压性能迅速降低，而后当高空飞艇再次经历日照高温导致压差变化时，飞艇蒙皮将沿着飞艇蒙皮对接焊缝迅速撕裂破坏。

解决高空飞艇高强纤维增强的蒙皮材料的对接强度、密封特性及耐候性能问题，是实现高空飞艇在预定高度长航时飞行的关键。飞艇蒙皮对接强度主要由对接焊缝处中间过渡的承载纤维膜层及飞艇蒙皮焊接边缘的纤维膜层共同决定，高频焊接导致飞艇蒙皮材料边缘的纤维膜层强度明显降低，因此需考虑飞艇蒙皮材料焊接过程中保护飞艇蒙皮材料边缘的纤维膜层，防止飞艇蒙皮材料对接区域的纤维膜层高频焊接损伤，同时保证飞艇蒙皮材料对接范围内的氦气阻漏性。

因此提出一种新型飞艇蒙皮材料对接结构，阻气膜层与飞艇蒙皮内表面采用低应力焊接，实现焊接区域飞艇蒙皮材料的强度降低小，飞艇蒙皮对接承载减少采用高频焊接方式，而在采用高强缝纫线直接缝合拼接，飞艇蒙皮材料缝合处的纤维承载膜层无任何损伤，整体密封结构满足飞艇蒙皮材料的承载强度和阻气渗漏特性要求。

发明内容

（1）目的：本发明要解决的技术问题是：提供一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，使其解决了高空飞艇蒙皮材料对接过程中蒙皮材料焊接强度高和氦气泄露特性优良的技术难题，也降低了高空飞艇在高空超压飞行过程中飞艇蒙皮材料由蒙皮对接处撕裂破坏的危险性，优化飞艇蒙皮材料对接加工工艺，减少蒙皮高频焊接过程对飞艇整体强度的的影响。

（2）技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，其特征是：包括左右侧对接高强纤维增强层压复合通用蒙皮即左、右侧蒙皮、中间加强承载层、左右侧连接缝纫线、内侧密封膜层以及左右侧膜层密封胶层。它们之间的位置连接关系是：见图1-图3，左、右侧蒙皮为该对接结构的最底层，通过左、右侧连接缝纫线把中间加强承载层和左、右侧蒙皮连接在一起，内侧密封膜层为该对接结构的最顶层，并将上述接头包容盖住后通过两侧的左、右侧膜层密封胶层即胶黏剂与左、右侧蒙皮胶接。

所述的左、右侧蒙皮为高强纤维膜层与多层功能膜层复合层压蒙皮薄膜，依次包括耐磨反光层，防紫老化膜层、隔热保温膜层、高强度纤维编织层、阻气膜层、胶粘对黏层以及各膜层之间的粘结胶层。其中最外层的耐磨反光层为表面二次电镜镀铝的聚四氟乙烯膜层，厚度低于35微米，吸收率0.25以下；防紫外老化层为聚氨酯聚四氟乙烯薄膜，薄膜自身耐老化性能好，在强紫外照射下性能不会明显降低；高强纤维编织层为聚芳脂酰胺Kevlar平纹编织层，编织成强度高，具有高弹性伸长率，抗蠕变性能、抗折压性能、耐后性能优良；阻气膜层为厚度小于15微米的聚酰胺高阻隔膜层，其氦气透过率小于2500mL/(m²·atm·24h)/20微米；各膜层之间的粘接胶层为高强度双组份弹性聚氨酯Hytel，胶层剪切强度高和结合性均匀；其他膜层为常规材料。左、右侧蒙皮各层之间紧密的粘结在一起，实现高空飞艇蒙皮具有高强度，抗充气、耐磨损、耐高低温，抗老化的优良性能。

所述的中间加强承载层，是矩形状，为高强纤维束编织胶层。其内表层为高粘度双组份弹性聚氨酯Hytel胶粘层，外表层为聚芳脂酰胺Kevlar平纹编织膜层，由多层聚芳脂酰胺Kevlar纤维束经双轴向经编织而成，外表层与胶黏剂胶粘复合层压并与内表面强力复合形成中间加强承载层，此层不含有多功能膜层。

所述的左、右侧连接缝纫线为通用的高强芳纶缝纫线，承载强度高，缝纫线本身弹性模量值大，线弹性变化率低。

所述的内侧密封膜层，是低透率粘胶层，其形状是中间平坦两端微跷，由密封功能层和粘胶层构成，密封功能层为厚度小于20微米的聚酰胺高阻隔膜层，其氦气透过率小于2300Ml/(m²·atm·24h)/20微米，膜层的数量根据设计透氦率确定；粘胶层为双组份弹性聚氨酯Hytel，胶层剪切强度高和结合性均匀，相邻两层直接的密封功能层均有粘胶层进行胶粘贴合，阻止高空飞艇蒙皮内侧的浮力气体在对接接口区域渗漏。

所述的左、右侧膜层密封胶层，是左、右侧蒙皮内侧表面与内侧密封膜层以及内侧密封膜层与中间承载层的粘胶层，此处粘胶层均为高强密封双组份弹性聚氨酯Hytel胶黏剂，粘胶层厚度小于10微米，表面粘合宽度为30微米至35微米。

其中，左、右侧蒙皮的对接边缘采用对折方式均对折预定长度，蒙皮边缘均向内侧粘胶面，并用滚轮挤压方法使对折的蒙皮边缘平整并保持为平面。

其中，所述的对折后的左侧蒙皮与中间加强承载层左侧区域缝纫贴合，对折蒙皮区域与中间承力层由高强度缝纫线多道上下穿越缝合；同理，对折后的右侧蒙皮与中间加强承载层右侧区域缝纫贴合，对折蒙皮区域与中间承力层由高强度缝纫线多道上下穿越缝合；左、右侧蒙皮缝合处缝隙宽度为零。中间加强承载层连接两侧左、右蒙皮并传递蒙皮之间的张力载荷，二者构成预成型对接结构，其缝纫线的道数根据蒙皮设计承载强度调整。

其中，该内侧密封膜层阻止高空飞艇蒙皮内侧的浮力气体在对接接口区域渗漏，通过高强密封胶黏剂分别与所述的缝合完成后的左、右侧蒙皮内侧表面密封粘接，内侧密封膜粘胶层中心区域与中间加强承载层的外侧胶层粘合，粘接宽度根据粘胶设计强度调整，保证粘合宽度与中间加强承载层的平面宽度尺寸一致。

其中，所述的高强胶黏剂粘合后的蒙皮材料结构，形成高空飞艇蒙皮薄膜密封对接结构整体，此时用滚轮在预定环境温度和气体压强条件下机压成平面，驱走内侧密封薄膜与飞艇蒙皮材料内侧粘胶层之间的气泡，增加二者之间高空飞艇用的氦气密封强度，以提高蒙皮薄膜密封对接结构整体的对接强度和密封阻气性能。

（3）优点及功效：

（a）加工工艺：高空飞艇体积庞大，飞艇艇体由多块裁剪蒙皮对接拼合而成，单侧蒙皮先于中间加强承载膜层缝合，操作过程简单，对蒙皮纤维膜层无强度损伤，再与内侧密封薄膜在较低温度低压力下进行粘胶，粘合宽度小，工艺流程简单，可实现超大宽幅蒙皮对接。

（b）承载强度：两侧蒙皮材料与中间加强承载膜缝合，蒙皮薄膜中的承力编织纤维束无高频焊接热应力损伤，缝合后的蒙皮材料承载张力强度接近蒙皮材料本征强度，且蒙皮材料对接边缘无滑丝或脱丝。飞艇加工成型后，高空飞艇整体超压强度不因蒙皮布料对接拼合结构或工艺而大幅度降低，飞艇重量效率高。

（c）阻气特性：承载蒙皮与中间加强承载膜层缝合后，内侧密封膜层分别与两侧蒙皮缝纫线以外区域进行低温高强胶黏剂粘接，内侧密封膜层即使在飞艇超压工况下，也不承载飞艇蒙皮的张力，因此蒙皮对接区域内氦气阻漏特性（阻气性能）优良，飞艇实现长航时保压飞行。

（d）飞艇超压：高空飞艇日照高温工况下飞行，内部浮力气体（如氦气、氢气等）快速膨胀，飞艇整体超压变形，在蒙皮断裂强力极限范围内，缝纫对接区域自由拉伸，蒙皮应力过大时通过缝纫孔处的蒙皮纤维束滑移剪切，以降低对接结构区域的应力集中，飞艇极限超压强度高。

（e）蒙皮止裂：蒙皮对接拼合无高温焊接诱导至对接范围蒙皮强度降低，飞艇在超压飞行时，初始裂纹从蒙皮其他应力集中较大区域形成并扩展至蒙皮对接边缘。两侧飞艇蒙皮由高强缝纫线多道缝合，断裂强力远大于蒙皮强度，阻止蒙皮上已有裂纹继续扩展，防止飞艇在高空飞行过程中突然迅速爆裂的危险事故发生。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是飞艇蒙皮薄膜对接结构俯视示意图；

图2是飞艇蒙皮薄膜对接结构A-A截面示意图；

图3是飞艇蒙皮薄膜对接结构装配轴测示意图；

图4是飞艇蒙皮高强纤维增强薄膜内部构型示意图

图中序号说明如下：

1、左侧蒙皮；2、右侧蒙皮；3、中间加强承载层；4、左侧连接缝纫线；5、右侧连接缝纫线；6、内侧密封膜层；7、左侧膜层密封胶层；8、右侧膜层密封胶层；

A耐磨反光层；C防紫老化膜层；E隔热保温膜层；G高强度纤维编织层；I阻气膜层；J胶粘对黏层；B、D、F、H为各膜层之间的粘结胶层。

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，不涉及具体尺寸参数和性能数据，因此其仅显示与本发明有关的结构构成。

如图1至图3所示，一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，包括左右侧对接高强纤维增强层压复合通用蒙皮即左侧蒙皮1、右侧蒙皮2，中间加强承载层3，左、右侧连接缝纫线4、5，内侧密封膜层6，左、右侧膜层密封胶层7、8。两侧左、右蒙皮1、2对接加工之前，应绘制蒙皮对接边缘的对折标线，两侧左、右蒙皮1、2对接边缘沿着蒙皮纤维粘胶面对折预定长度，并用滚轮机压平整，防护后续缝合。中间加强承载层3为高强纤维束编织胶层，连接作用两侧蒙皮并传递蒙皮之间的张力载荷，中间加强承载层3与左、右两侧蒙皮1、2、通过左、右侧连接缝纫线3、4进行缝纫连接成整体，内侧密封膜层6为低透率粘胶层，通过胶黏剂即左、右侧膜层密封胶层7、8与两侧左、右蒙皮1、2缝纫外边缘区域进行粘合，内侧密封膜层6中间区域与中间加强承载层3外侧区域膜层粘合，构成两侧蒙皮对接整体结构。

为了提高飞艇蒙皮对接承载强度，中间加强承载层3与左侧蒙皮1对折区域用左侧连接缝纫线4缝合，且第一道缝纫线应距离左侧蒙皮1对折角线预定范围，防止飞艇超压过高导致缝纫线孔内纱线滑移刮断另一方向纱线，同时中间加强承载层3与左侧蒙皮1对折区域用多道缝纫线隔开一定长度缝合。中间加强承载层3与右侧蒙皮2对折区域缝合形式相同，尺寸与左侧保持对称，缝合时保持左、右侧蒙皮1、2对折角线紧密贴合，提高蒙皮外表面的隔热性能。

内侧密封膜层6宽度应超出中间加强承载层3预定长度，为提高飞艇蒙皮在超压工况下的阻气特性，内侧密封膜层6与两侧左、右蒙皮1、2用胶黏剂粘合时应在两侧左、右蒙皮1、2两端加载预定的张力载荷（预紧力）或者在无预紧力时内侧密封膜层6粘合预留预定尺寸的松弛余量。飞艇蒙皮在承载较大张力时，蒙皮对接处内侧密封膜层6不因承载变形导致气密性降低，从而保证蒙皮对接区域在蒙皮承受低应力至高应力全包线飞行条件下，阻气性能良好，飞艇可长航时保压飞行。

由图4所示，高空飞艇对接蒙皮内部构型由外向内依次为包括最外层耐磨层A，防紫老化膜层C、隔热保温膜层E、高强度纤维编织层G、阻气膜层H、胶粘对黏层J以及各膜层之间的粘结胶层B、D、F、H，其中高强度纤维编织层G为平纹或斜纹双轴向编织模式，作为飞艇蒙皮材料的主承载膜层，各层之间通过低厚度胶黏剂膜层紧密粘结，实现高空飞艇蒙皮具有高强度，高阻隔气密性、耐磨损、耐高低温，抗老化的使用性能。

以上述依据本发明的对接结构模式为启示，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（如缝纫线道数、粘胶温度、对接宽度等技术参数）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 (5)

1.一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，它包括左右侧对接高强纤维增强层压复合通用蒙皮即左、右侧蒙皮、中间加强承载层、左、右侧连接缝纫线、内侧密封膜层以及左、右侧膜层密封胶层；左、右侧蒙皮为该对接结构的最底层，通过左、右侧连接缝纫线把中间加强承载层和左、右侧蒙皮连接在一起，内侧密封膜层为该对接结构的最顶层，并将接头包容盖住后通过两侧的左、右侧膜层密封胶层即胶黏剂与左、右侧蒙皮胶接；

所述的左、右侧蒙皮为高强纤维膜层与多层功能膜层复合层压蒙皮薄膜，依次包括耐磨反光层，防紫外老化膜层、隔热保温膜层、高强度纤维编织层、阻气膜层、胶粘对黏层以及各膜层之间的粘结胶层；其中最外层的耐磨反光层为表面二次电镜镀铝的聚四氟乙烯膜层，厚度低于35微米，吸收率0.25以下；防紫外老化膜层为聚氨酯聚四氟乙烯薄膜，薄膜自身耐老化性能好，在强紫外照射下性能不会明显降低；高强纤维编织层为聚芳脂酰胺Kevlar平纹编织层，编织层强度高，具有高弹性伸长率，抗蠕变性能、抗折压性能、耐候性能优良；阻气膜层为厚度小于15微米的聚酰胺高阻隔膜层，其氦气透过率小于2500mL/(m²·atm·24h)/20微米；各膜层之间的粘结胶层为高强度双组份弹性聚氨酯Hytel，胶层剪切强度高和结合性均匀；其他膜层为常规材料；

其特征在于：所述的中间加强承载层，是矩形状，为高强纤维束编织胶层；其内表层为高粘度双组份弹性聚氨酯Hytel胶粘层，外表层为聚芳脂酰胺Kevlar平纹编织膜层，由多层聚芳脂酰胺Kevlar纤维束经双轴向经编织而成，外表层与胶黏剂胶粘复合层压并与内表面强力复合形成中间加强承载层，此层不含有多功能膜层；

所述的左、右侧连接缝纫线为高强芳纶缝纫线，承载强度高，缝纫线本身弹性模量值大，线弹性变化率低；

所述的内侧密封膜层，是低透率粘胶层，其形状是中间平坦两端微跷，由密封功能层和粘胶层构成，密封功能层为厚度小于20微米的聚酰胺高阻隔膜层，其氦气透过率小于2300mL/(m²·atm·24h)/20微米，膜层的数量根据设计透氦率确定；粘胶层为双组份弹性聚氨酯Hytel，胶层剪切强度高和结合性均匀，相邻两层直接的密封功能层均有粘胶层进行胶粘贴合，阻止高空飞艇蒙皮内侧的浮力气体在对接接口区域渗漏；

所述的左、右侧膜层密封胶层，是左、右侧蒙皮内侧表面与内侧密封膜层以及内侧密封膜层与中间承载层的粘胶层，此处粘胶层均为高强密封双组份弹性聚氨酯Hytel胶黏剂，粘胶层厚度小于10微米，表面粘合宽度为30微米至35微米。

2.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，其特征在于：左、右侧蒙皮的对接边缘采用对折方式均对折预定长度，蒙皮边缘均向内侧粘胶面，并用滚轮挤压方法使对折的蒙皮边缘平整并保持为平面。

3.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，其特征在于：对折后的左侧蒙皮与中间加强承载层左侧区域缝纫贴合，对折蒙皮区域与中间承力层由高强度缝纫线多道上下穿越缝合；同理，对折后的右侧蒙皮与中间加强承载层右侧区域缝纫贴合，对折蒙皮区域与中间承力层由高强度缝纫线多道上下穿越缝合，左、右侧蒙皮缝合处缝隙宽度为零；中间加强承载层连接两侧左、右蒙皮并传递蒙皮之间的张力载荷，二者构成预成型对接结构，其缝纫线的道数根据蒙皮设计承载强度调整。

4.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，其特征在于：该内侧密封膜层阻止高空飞艇蒙皮内侧的浮力气体在对接接口区域渗漏，通过高强密封胶黏剂分别与所述的缝合完成后的左、右侧蒙皮内侧表面密封粘接，内侧密封膜粘胶层中心区域与中间加强承载层的外侧胶层粘合，粘接宽度根据粘胶设计强度调整，保证粘合宽度与中间加强承载层的平面宽度尺寸一致。

5.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的高强纤维增强薄膜密封对接结构，其特征在于：经高强胶黏剂粘合后的蒙皮材料结构，形成高空飞艇蒙皮薄膜密封对接结构整体，此时用滚轮在预定环境温度和气体压强条件下机压成平面，驱走内侧密封薄膜与飞艇蒙皮材料内侧粘胶层之间的气泡，增加二者之间高空飞艇用的氦气密封强度，以提高蒙皮薄膜密封对接结构整体的对接强度和密封阻气性能。