CN105644761A - 大体型飞艇的刚性结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大体型飞艇的刚性结构体系，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构。其中预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成；中芯轴位于飞艇囊体纵向中心并贯穿飞艇囊体的首尾，所述中芯轴上设有若干同心的预应力加劲环，在所述若干预应力加劲环的外端之间通过纵向连接杆连接，并形成封闭的结构体系；柔性外囊体结构采用薄膜材料包裹在上述结构外部。本发明提高了大体型飞艇的整艇力学性能与飞行能力，并具备保形上升/下降，使飞艇在规定的大气环境下具备良好的飞行能力与应急状态下的返场能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于低空载重飞艇、中空飞艇以及平流层等大体型飞艇的刚性结构体系，属于飞艇的结构技术领域。
背景技术
球类的浮空平台，由于其气动外形特征导致大阻力效应，无法依靠推进系统进行主动的水平位置调整，属于漂浮类平台；流线外形的飞艇类具有较好的气动效应，属于飞行类平台。
柔性结构适合于低空轻载的小体型飞艇；对于低空载人或者重载飞艇，刚性结构骨架可以有效地分布搭载荷载，避免产生对囊体结构的应力集中。同时，在囊体结构出现破损的情况下，可以保持既有的外形而保持继续飞行的能力，具有更好的飞行安全性。现代德国的低空载人齐柏林飞艇即采用了三角桁架形式的刚性结构。
中高空飞艇包含平流层飞艇和运行高度为4-8km的对流层飞艇，其体量大，采用柔性结构方式则导致飞艇整体结构的刚度小，外气囊的应力水平高；柔性结构方式还导致艇上吊舱以及推进装置等附属设备安装困难，外气囊的应力集中现象突出，飞行执行机构的效率低下。采用刚性结构体系则可以有效地缓解柔性结构方式不足，降低对囊体材料的力学性能要求，并使飞艇在飞行的全过程中有效地保持飞艇的外形，提高飞行的安全性。对于平流层飞艇而言，采用刚性结构形式可以解决飞艇在上升或下降过程中进行巨量的气体调整的要求，实现保形上升或下降，从而具备飞行返航功能；
浮重平衡条件是刚性结构的飞艇的重要制约因素。为了对刚性结构的重量组成进行控制，本发明提出了由拉杆与管件构成的预应力刚性结构体系的技术方案与实施方法。根据飞艇的工作及环境产生的力学荷载特征，提出了双重预应力刚性体系，即：轮毂状的预应力加劲环，通过施加预应力的纵向连接杆系连接中芯轴与预应力加劲环而构成的整体刚性结构体系。双重预应力刚性结构体系充分发挥了结构杆件的力学性能，最大限度地降低了刚性结构的自重。
发明内容
本发明为解决现有问题，旨在提供一种大体型飞艇的刚性结构体系。
本发明采用的技术方案包括预应力结构体系和柔性外囊体结构，其中预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成，中芯轴位于飞艇囊体纵向中心并贯穿飞艇囊体的首尾，所述中芯轴上设有若干同心的预应力加劲环，在所述若干预应力加劲环的外端环体之间通过纵向连接杆连接，并形成封闭的结构体系；柔性外囊体结构采用薄膜材料包裹在上述结构外部。
其中，所述预应力加劲环呈轮毂状，包括环管、中心管和若干预应力拉杆，其中，所述中心管套在中芯轴上，若干预应力拉杆沿环管均匀分布，其一端连接在中心管上的张力固定盘，其另一端与圆弧状的环管连接并构成轮毂状结构。
其中，所述沿环周分布的纵向连接杆分别连接相邻预应力加劲环的环管。
其中，所述张力固定盘固定于中心管上且定位于环管垂直位置的两侧。
其中，在中芯轴的两端分别设有头锥盘和尾锥盘。其中在艇体首部或者尾部位置，纵向连接杆的一端分别连接第一个或者最后一个预应力加劲环的环管，纵向连接杆的另一端连接头锥盘或者尾锥盘。
其中，外囊体结构由囊体上预置的连接袢与环管进行绑扎连接。
其中，所述中芯轴由中空碳纤维直管构成。
和现有技术相比，本发明的结构体系清晰、各组成部分的力学作用明确、传力途径简洁，整体结构体系具有良好的力学稳定性；在外囊体承受负压差或者外囊体局部破损情况下，飞艇艇身保持基本外形；在飞艇上升及下降过程中，飞艇艇身能保持基本外形；本发明提高了大体型飞艇的整艇力学性能与飞行能力，并具备保形上升/下降，使飞艇在规定的大气环境下具备良好的飞行能力与应急状态下的返场能力。
附图说明
图1为发明的结构示意图；
图2为预应力加劲环的结构示意图；
图3为预应力加劲环的结构示意图；
参见附图，1—中芯轴；2—预应力加劲环；3—纵向连接杆；4—预应力结构；5—柔性外囊体结构；6—环管；7—预应力拉杆；8—中心管；9—张力固定盘；10—头锥盘；11—尾锥盘。
具体实施方式
现结合附图对发明作进一步地说明。
参见图1、图2和图3，图1、图2和图3展示的是本发明的一个实施例。本实施例由碳纤维制的环管6、碳纤维制的预应力拉杆7、中心管8以及张力固定盘9组成由轮毂状的预应力加劲环2；由中芯轴1、预应力加劲环2以及纵向连接杆3组成整体的预应力刚性结构体系；由外蒙皮及预应力刚性结构体系构成飞艇的艇体结构。
本实施例包括预应力结构体系4和柔性外囊体结构5。其中预应力结构体系4由中芯轴1、预应力加劲环2、纵向连接杆3组成。中芯轴1由中空碳纤维直管构成，位于飞艇囊体纵向中心并贯穿飞艇囊体的首尾；所述中芯轴1上设有若干同心的预应力加劲环2，在所述若干预应力加劲环2的外端之间通过纵向连接杆3连接，并形成封闭的结构体系；柔性外囊体结构5采用薄膜材料由囊体上预置的连接袢与预应力加劲环2进行绑扎连接。
所述预应力加劲环2呈轮毂状，包括环管6、中心管8和若干预应力拉杆7。其中，所述中心管8套在中芯轴1上，若干预应力拉杆7沿环管6均匀分布，其一端连接在中心管上的张力固定盘9，其另一端与圆弧状的环管6连接并构成轮毂状结构。
其中，所述沿环周分布的纵向连接杆3分别连接相邻预应力加劲环2的环管6。
其中，所述张力固定盘9固定于中心管8上且且定位于环管2垂直位置的两侧。
其中，在中芯轴1的两端分别设有头锥盘10和尾锥盘11。其中在艇体首部或者尾部位置，纵向连接杆3的一端分别连接第一个或者最后一个预应力加劲环2的环管6，纵向连接杆3的另一端连接头锥盘10或者尾锥盘11。
在上述结构实施时，按照以下步骤进行：
步骤1：中芯轴1的连接。以环氧树脂作为粘结剂，将制造过程中分段的中芯轴1套接成设计长度；
步骤2：环管6的连接。以环氧树脂作为粘结剂，将制造过程中分段的弧形碳纤维的环管6套接成设计直径的圆环；
步骤3：预应力加劲环2的张拉。将张力固定盘9套入中心管8，定位后以环氧树脂作为粘结剂予以固定；在台架工装上，通过碳纤维预应力拉杆7连接环管6与张力固定盘9，并对碳纤维的预应力拉杆7施加预应力；
步骤4：将各节段的预应力加劲环2的中心管8按顺序套入中芯轴1并初步定位；安装头锥盘10与尾锥盘11；
步骤5：在艇体中部，将纵向联系杆3连接相邻的预应力加劲环2；在艇体首位部，将纵向联系杆3连接预应力加劲环2与头锥盘10或尾锥盘11并施加预应力；
步骤6：以环氧树脂作为粘结剂，对中心管8与中芯轴1进行胶结固定；
步骤7：将薄膜材料的柔性外囊体结构5套入成形的刚性结构体系。
上述实施例中，由中芯轴1、预应力加劲环2以及纵向连接杆系3组成的刚性结构体系4承担吊挂荷载、气动荷载产生的弯矩，以及艇体附加结构产生的局部荷载；薄膜材料的外气囊柔性结构5承当囊体内外压差产生的张力荷载。
预应力结构4部分承受由推进、风压或外气囊压差产生的艇体轴向压力、环向压力、弯曲荷载以及局部吊挂荷载。
外气囊5在低压差甚至负压差下，飞艇艇体具有基本的气动外形；可以气体的流动吸入取代鼓风机泵入气体，满足大体型飞艇下降过程中吸入大量空气的需求。在外气囊5或者内置浮升气体气囊单一失效情况下，飞艇保持基本的气动外形，仍可具有正常的飞行能力。
中芯轴1上安装预应力加劲环2以传递艇体的轴向力；中芯轴1作为纵向连系杆3的首尾固定端；中芯轴1形成艇体结构体系横向弯曲中心。
轮毂状的预应力加劲环2，通过施加预应力的纵向连接杆3连接中芯轴1与预应力加劲环2而构成的整体刚性结构体系。双重预应力刚性结构体系充分发挥了结构杆件的力学性能，最大限度地降低了刚性结构的自重。
上面结合附图及实施例描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员可依据需要做出调整，在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。
Claims (7)
1.一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：包括预应力结构体系（4）和柔性外囊体结构（5）；其中预应力结构体系（4）由中芯轴（1）、预应力加劲环（2）、纵向连接杆（3）组成，所述中芯轴（1）位于飞艇囊体横截面中心并贯穿飞艇囊体的首尾，所述中芯轴（1）上设有若干同心的预应力加劲环（2），在所述若干预应力加劲环（2）的外端环体之间通过纵向连接杆（3）连接，并形成封闭的预应力结构体系（4）；柔性外囊体结构（5）采用薄膜材料并包裹在上述预应力结构的外部。
2.根据权利要求1所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：所述预应力加劲环（2）呈轮毂状，包括环管（6）、中心管（8）和若干预应力拉杆（7）；其中，所述中心管（8）套在中芯轴（1）上，若干预应力拉杆（7）沿圆弧状环管（6）均匀分布，其一端连接在中心管（8）上的张力固定盘（9），其另一端与圆弧状的环管（6）连接并构成轮毂状结构。
3.根据权利要求2所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：所述张力固定盘（9）固定于中心管（8）上且套于预应力加劲环（2）的两端。
4.根据权利要求2所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：所述沿环周分布的纵向连接杆（3）分别连接相邻预应力加劲环（2）的环管（6）。
5.根据权利要求3所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：在中芯轴（1）的两端分别设有头锥盘（10）和尾锥盘（11），其中在艇体首部或者尾部位置，纵向连接杆（3）的一端分别连接第一个或者最后一个预应力加劲环（2）的环管（6），纵向连接杆（3）的另一端连接头锥盘（10）或者尾锥盘（11）。
6.根据权利要求1所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：外囊体结构（5）由囊体上预置的连接袢与预应力加劲环（2）的环管（6）进行绑扎连接。
7.根据权利要求1所述的一种大体型飞艇的刚性结构体系，其特征在于：所述中芯轴（1）由中空碳纤维直管构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |