CN103910057B - 一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构 - Google Patents

Abstract

一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，它是由有效载荷模拟舱、摩擦阻力板、底部防撞减震气囊、侧向防撞减震气囊和主气囊组成；摩擦阻力板呈顶部敞开箱式并将整个结构囊括其中，底部防撞减震气囊位于箱底，侧向防撞减震气囊位于箱四周，主气囊置于箱中部包围着有效载荷模拟舱并与箱四周的侧向防撞减震气囊和箱底的底部防撞减震气囊接触；本发明解决了临近空间飞行器在回收着陆过程中的防撞减震问题，且实现了操作简单、可收放、质量轻和经济性好的目标。

Description

一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构

技术领域

本发明涉及一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构。属于浮升飞艇应用领域。

背景技术

临近空间飞行器，如平流层飞艇、高空气球等，在信息获取和传输、资源勘测、情报侦察、通信中继、气候观测等诸多领域有很高的应用价值，并以驻留空时间长、使用消费比低等特点已成为世界各国研究的热点。近年来，包括美国、日本、英国和俄罗斯在内的很多国家对临近空间飞艇进行了深入研究，并实施了一系列研究计划，取得了很大进展。临近空间飞艇作为高空平台，飞行任务包括放飞和回收、定点悬停、巡航等。其中在回收阶段的最后着陆过程中很难做到零速度着陆，且由于飞艇的重量都很大，如果直接着陆对飞艇将产生很大的冲击载荷，进而破坏飞艇及其有效载荷，造成很大的损失。目前，飞艇着陆还没有一个完善且成熟的专业着陆结构。暂时采用的不成熟方法，一种是在吊舱底部安装如飞机似的滑行式着陆系统，一种是在吊舱底部按装一个安全气垫或者安装很厚的减震泡沫塑料。以上方式都有很致命的缺点。采用飞机式的滑行着陆系统一方面将会增加很大的重量，对提高飞艇的有效载荷造成很大的影响，另一方面其造价高昂及维护复杂，再有就是飞艇着陆场所一般选在沙漠或者草原没有理想的跑道容易造成侧翻等事故。由于临近空间飞艇一般很大且重，故着陆产生的冲击载荷将会非常巨大，这对气垫的设计要求将会非常高，而减震泡沫也会设计得很厚，这将增大飞艇发射和滞空时的阻力。气垫和减震泡沫都不能有效对飞艇水平方向进行防撞减震。

本发明研究了一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构。它具有可收放、质量轻、防撞减震性能好、操作简单，经济性好等特点且可以有效地保证有效载荷的安全性。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构解决临近空间飞行器在回收着陆过程中的防撞减震问题，且实现了操作简单、可收放、质量轻和经济性好的目标。

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充气式多级防撞减震结构由有效载荷模拟舱、摩擦阻力板、底部防撞减震气囊、侧向防撞减震气囊和主气囊组成。它们的位置关系是：摩擦阻力板呈顶部敞开箱式并将整个结构囊括其中，底部防撞减震气囊位于箱底，侧向防撞减震气囊位于箱四周，主气囊置于箱中部包围着有效载荷模拟舱并与箱四周的侧向防撞减震气囊和箱底的底部防撞减震气囊接触。

所述的摩擦阻力板呈顶部敞开箱式结构，为软式带毛刷的特种橡胶板，这种橡胶具有摩擦系数大，耐摩擦性能好的特点。摩擦阻力板在整个着陆过程中通过与大地的摩擦减小着陆载荷水平方向的速度并起到保护内部气囊的作用。

所述底部防撞减震气囊包括一级防撞减震子气囊、次级防撞减震子气囊、三级防撞减震子气囊。其中各级防撞减震子气囊之间的气体是不连通的且承载临界压力逐级增加并安装有限压阀（9），当着陆时冲击载荷使某级子气囊中气压超过临界压力时，该级子气囊可通过限压阀（9）放气，将冲击能量释放掉。所述侧向防撞减震气囊用于载荷舱侧向与地面障碍物碰撞时的防撞减震。侧向防撞减震气囊同样安装有限压阀（9），当承载压力过大时可通过限压阀（9）放气释放撞击能量，可有效的起到缓冲作用。

所述主气囊围绕着有效载荷模拟舱布置，有效载荷模拟舱该处用来等效飞艇着陆载荷，实际使用时为飞艇吊舱。在整个着陆过程中起到缓冲作用，当冲击载荷过大时可以通过限压阀（9）放气释放撞击能量。

其中，有效载荷模拟舱尺寸为：长3米、宽1.6米、高1.8米。

其中，主气囊尺寸为：长4米、宽2.4米、高2.4米，底部厚度1米，侧边厚度0.5米。

其中，底部防撞减震气囊整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高1.4米；其中一级防撞减震子气囊直径0.8米、次级防撞减震子气囊0.4米、三级防撞减震子气囊0.2米；

其中，侧向防撞减震气囊整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高2.4米；其子气囊直径0.8米，布置在主气囊四周。

其中，各级气囊临界压力设计为:一级防撞减震子气囊的临界压力参照可承受铅垂方向以5m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间。次级防撞减震子气囊6的临界压力参照可承受铅垂方向以10m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压600～700pa之间。三级防撞减震子气囊的临界压力参照可承受铅垂方向以15m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压800～900pa之间。侧向防撞减震气囊用于载荷舱侧向与地面障碍物碰撞时的防撞减震。侧向防撞减震气囊同样安装有限压阀（9），当承载压力过大时可通过限压阀（9）放气释放撞击能量，可有效的起到缓冲作用。由于一般着陆速度的水平分量相对不大，故侧向防撞减震气囊的临界压力参照以5m/s的水平速度撞击障碍物产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间。主气囊围绕着有效载荷舱布置，在整个着陆过程中起到缓冲作用。主气囊临界压力的设计要综合考虑着陆速度的大小范围和铅垂与水平方向速度分量。基本原则是将其临界压力值参考飞艇按照正常最大速(15m/s)度着陆时与地面冲击引起的压力值取一个安全系数，设计临界压力在超压900～1000pa。

其中，各级子气囊可以采用三维编制整体成型工艺制造，主气囊可采用嚢体热合带连接各个囊瓣。

其中，气囊材料包括承力层、氦气阻隔层、防老化层组成。承力层为Vectran纤维编织物，氦气阻隔层采用聚氨酯制成，防老化层采用聚氟乙烯薄膜（Tedlar），所述承力层、阻氦层、防老化层之间采用胶黏剂填充。

其中，摩擦阻力板与底部防撞减震气囊和侧向防撞减震气囊采用胶接；各级子气囊之间、底部防撞减震气囊和主气囊、侧向防撞减震气囊与主气囊采用胶接或编制方式连接。主气囊和有效载荷舱采用胶接方式连接。

本发明的优点在于：

（1）采用多级防撞减震模式可以对有效载荷起到很好的保护作用，使飞艇的近地安全性更有保障。

（2）该结构采用气囊和软式带毛刷的特种橡胶板组成，在没有充气时可以折叠成较小的体积固定在有效载荷舱的外表面，不会影响舱内容积，还可以减小飞艇放飞和悬停过程中的空气阻力。

（3）采用的气囊材料和橡胶都属于轻质材料，结构重量较小，可以有效提高飞艇的载荷系数。

（4）在回收着陆过程中，通过飞艇气路系统对结构提前充气，可以增大飞艇的阻力，对减速有一定的帮助。

（5）多级子气囊防撞减震设计，限压阀（9）的存在可以在着陆速度不同时自动分级放气可以有效的避免飞艇着陆时的多次碰撞，有利于实现飞艇的一次性软着陆，避免了多次碰撞的危险。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构充气时结构示意图；

图2是一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构充气时的剖面示意图；

图3是安装有限压阀的单个子气囊结构示意图；

图中：

1－有效载荷模拟舱2－主气囊3－侧向防撞减震气囊

4－摩擦阻力板5－一级防撞减震子气囊

6－次级防撞减震子气囊7－三级防撞减震子气囊

8－子气囊9－限压阀

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所示，一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，由有效载荷模拟舱1、主气囊2、侧向防撞减震气囊3、摩擦阻力板4、一级防撞减震子气囊5、次级防撞减震子气囊6和三级防撞减震子气囊7组成。它们的位置关系是：摩擦阻力板4呈顶部开箱式，将整个结构囊括其中，底部防撞减震气囊包括一级防撞减震子气囊5、次级防撞减震子气囊6和三级防撞减震子气囊7位于箱底，侧向防撞减震气囊3位于箱四周，主气囊2置于箱中部包围着有效载荷模拟舱1并与箱四周的侧向防撞减震气囊和箱底的底部防撞减震气囊接触。

有效载荷模拟舱1尺寸为：长3米、宽1.6米、高1.8米；主气囊2尺寸为：长4米、宽2.4米、高2.4米，底部厚度1米；长侧边厚度0.5米；短侧边厚度0.4米；防撞减震子气囊整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高1.4米；其中一级防撞减震子气囊5直径0.8米、次级防撞减震子气囊6直径0.4米、三级防撞减震子气囊7直径0.2米；侧向防撞减震气囊3整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高2.4米；其子气囊直径0.8米，布置在主气囊2四周。摩擦阻力板4与侧向防撞减震气囊3和底部防撞减震气囊5,6,7采用胶接；各级子气囊之间、底部防撞减震气囊和主气囊2、侧向防撞减震气囊3与主气囊2采用胶接或编制方式连接。主气囊2和有效载模拟荷舱1采用胶接方式连接。

摩擦阻力板4呈顶部开箱式结构，为软式带毛刷的特种橡胶板，具有摩擦系数大（在沙漠上可达0.5，在戈壁上可达0.9），耐摩擦性能好的特点。摩擦阻力板4布置在整个结构的底部和侧面，在整个着陆过程中通过与大地的摩擦减小着陆载荷水平方向的速度。

气囊材料从里到外由承力层、氦气阻隔层和防老化层组成。承力层为Vectran纤维编织物，阻氦层采用聚氨酯制成，防老化层采用聚氟乙烯薄膜（Tedlar），所述承力层、阻氦层、防老化层之间采用胶黏剂填充。气囊可以采用三维编制整体成型工艺制造。

实施例二：如图2所示，一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构采用多级气囊防撞减震模式，各级气囊包括有效载荷模拟舱1、主气囊2、侧向防撞减震气囊3、一级防撞减震子气囊5、次级防撞减震子气囊6和三级防撞减震子气囊7。其中一级防撞减震子气囊5、次级防撞减震子气囊6和三级防撞减震子气囊7之间的气体是不连通的且承载临界压力逐级增加并安装有限压阀9，当着陆时冲击载荷使某级子气囊中气压超过临界压力时，该级子气囊可通过限压阀9如图3放气，将冲击能量释放掉，各子气囊中临界压力的大小根据飞艇着落速度大小范围和蒙皮材料性能安排，可以将飞艇着落铅垂方向速度分为低速（5m/s）、中速(10m/s)和高速(15m/s)三个级别，将一级防撞减震子气囊5的临界压力参照可承受铅垂方向以5m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间。次级防撞减震子气囊6的临界压力参照可承受铅垂方向以10m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压600～700pa之间。三级防撞减震子气囊7的临界压力参照可承受铅垂方向以15m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压800～900pa之间。侧向防撞减震气囊用于载荷舱侧向与地面障碍物碰撞时的防撞减震。侧向防撞减震气囊同样安装有限压阀（9），当承载压力过大时可通过限压阀9放气释放撞击能量，可有效的起到缓冲作用。由于一般着陆速度的水平分量相对不大，故侧向防撞减震气囊3的临界压力参照以5m/s的水平速度撞击障碍物产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间。主气囊2围绕着有效载荷舱布置，在整个着陆过程中起到缓冲作用。主气囊2临界压力的设计要综合考虑着陆速度的大小范围和铅垂与水平方向速度分量。基本原则是将其临界压力值参考飞艇按照正常最大速(15m/s)度着陆时与地面冲击引起的压力值取一个安全系数，设计临界压力在超压900～1000pa。多级子气囊防撞减震设计可以有效的避免飞艇着陆时的多次碰撞，有利于实现飞艇的一次性软着陆，避免了多次碰撞的危险。

实施例三：如图1和图2所示，在飞艇回收着陆过程中，一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构在飞艇气路系统的控制下，被充满气体，该结构处于工作状态。飞艇以较低的速度与地面发生碰撞时，在铅垂方向，由于冲击力的作用使各级子气囊和主气囊2内的压力迅速增大，首先一级防撞减震子气囊内5压力达到临界压力在减压阀的控制下放气，消耗冲击能量；当速度较大时次防撞减震子气囊6内压力也达到了临界压力，在减压阀的控制下放气，继续消耗冲击能量；如果着陆速度再增大，三级防撞减震子气囊7也在减压阀的控制下放气，进一步消耗冲击能量；在极端情况下，若着陆速度很大，主气囊2内气压也达到了临界压力，其也可以在减压阀的控制下放气，消耗冲击能量。在水平方向上，带毛刷的摩擦阻力板4与地面摩擦消耗飞艇水平方向上的动能；飞艇选择的着陆场地一般是沙漠或戈壁地区，带毛刷的摩擦阻力板4在这样的场地上的摩擦系数很大（在沙漠上可达0.5，在戈壁上可达0.9），有利于飞艇的减速。如果前方遇见障碍物如小型沙丘等，侧向防撞减震气囊3和主气囊2可以有效的防撞减震，避免飞艇遭到破坏。侧向防撞减震气囊3也可以在减压阀的控制下放气消耗碰撞冲击能量。通过这样逐级的消耗冲击能量保证飞艇的一次性安全软着陆。

实施例四：一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构在飞艇发射和滞空过程中处于未充气状态具有较小的体积，可以固定在有效载荷舱外面，不会影响舱内容积，还可以减小飞艇放飞和悬停过程中的空气阻力。

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)

1.一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：它是由有效载荷模拟舱、摩擦阻力板、底部防撞减震气囊、侧向防撞减震气囊和主气囊组成；摩擦阻力板呈顶部敞开箱式并将整个结构囊括其中，底部防撞减震气囊位于箱底，侧向防撞减震气囊位于箱四周，主气囊置于箱中部包围着有效载荷模拟舱并与箱四周的侧向防撞减震气囊和箱底的底部防撞减震气囊接触；

所述的摩擦阻力板呈顶部敞开箱式结构，为软式带毛刷的特种橡胶板，这种橡胶具有摩擦系数大，耐摩擦性能好的特点，摩擦阻力板在整个着陆过程中通过与大地的摩擦减小着陆载荷水平方向的速度并起到保护内部气囊的作用；

所述的底部防撞减震气囊包括一级防撞减震子气囊、次级防撞减震子气囊、和三级防撞减震子气囊；其中各级防撞减震子气囊之间的气体是不连通的且承载临界压力逐级增加并安装有限压阀，当着陆时冲击载荷使某级子气囊中气压超过临界压力时，该级子气囊通过限压阀放气，将冲击能量释放掉；

所述的侧向防撞减震气囊用于载荷舱侧向与地面障碍物碰撞时的防撞减震；侧向防撞减震气囊同样安装有限压阀，当承载压力过大时通过限压阀放气释放撞击能量，有效的起到缓冲作用；

所述的主气囊围绕着有效载荷模拟舱布置，有效载荷模拟舱用来等效飞艇着陆载荷，实际使用时为飞艇吊舱；在整个着陆过程中起到缓冲作用，当冲击载荷过大时通过限压阀放气释放撞击能量。

2.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：该有效载荷模拟舱尺寸为：长3米、宽1.6米、高1.8米。

3.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：该主气囊尺寸为：长4米、宽2.4米、高2.4米，底部厚度1米，侧边厚度0.5米。

4.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：该底部防撞减震气囊整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高1.4米；其中一级防撞减震子气囊直径0.8米、次级防撞减震子气囊0.4米、三级防撞减震子气囊0.2米。

5.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：该侧向防撞减震气囊整体尺寸为：长5.6米、宽4米、高2.4米；其子气囊直径0.8米，布置在主气囊四周。

6.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：各级气囊临界压力设计为:一级防撞减震子气囊的临界压力参照承受铅垂方向以5m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间；次级防撞减震子气囊的临界压力参照承受铅垂方向以10m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压600～700pa之间；三级防撞减震子气囊的临界压力参照承受铅垂方向以15m/s的速度着落冲击力产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压800～900pa之间；侧向防撞减震气囊用于载荷舱侧向与地面障碍物碰撞时的防撞减震，侧向防撞减震气囊同样安装有限压阀，当承载压力过大时通过限压阀放气释放撞击能量，有效的起到缓冲作用；由于一般着陆速度的水平分量相对不大，故侧向防撞减震气囊的临界压力参照以5m/s的水平速度撞击障碍物产生的压力取安全系数设计，设计临界压力在超压400～500pa之间；主气囊围绕着有效载荷舱布置，在整个着陆过程中起到缓冲作用，主气囊临界压力的设计要综合考虑着陆速度的大小范围和铅垂与水平方向速度分量，基本原则是将其临界压力值参考飞艇按照正常最大速度15m/s着陆时与地面冲击引起的压力值取一个安全系数，设计临界压力在超压900～1000pa。

7.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：各级子气囊采用三维编制整体成型工艺制造，主气囊采用嚢体热合带连接各个囊瓣。

8.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：该气囊材料包括承力层、氦气阻隔层、防老化层组成；承力层为Vectran纤维编织物，氦气阻隔层采用聚氨酯制成，防老化层采用聚氟乙烯薄膜Tedlar，承力层、阻氦层、防老化层之间采用胶黏剂填充。

9.根据权利要求1所述的一种高空飞艇通用的充气式多级防撞减震结构，其特征在于：摩擦阻力板与底部防撞减震气囊和侧向防撞减震气囊采用胶接；各级子气囊之间、底部防撞减震气囊和主气囊、侧向防撞减震气囊与主气囊采用胶接或编制方式连接，主气囊和有效载荷舱采用胶接方式连接。