CN106697251B - 一种气动肌肉变体平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气动肌肉变体平流层飞艇，包括外层气囊、加压管结构、气动肌肉以及气动肌肉控制结构。变体气囊内升力气体随着飞行高度的上升而膨胀时，气囊体积在内部加压管结构和气动肌肉装置的联动作用下随之变大，气囊外形在变化的同时能保证一定的刚度，下降时则相反。本发明在低空时气囊体积小，高空时气囊体积变大，低空时迎风面积小，减小了风阻。有内部加压管结构作为外层气囊的支撑，气囊内的气囊压差可以取小值，减小了外气囊囊布材料的强度要求，在同样要求下，可减小外气囊材料单位面积的重量。气囊超压由500帕可减小到120帕。

Description

一种气动肌肉变体平流层飞艇

技术领域

本发明涉及高空飞艇技术领域，具体为一种气动肌肉变体平流层飞艇。

背景技术

现有常规飞艇主要包括软式飞艇、硬式飞艇和半硬式飞艇，由于其气囊重量及结构的限制，飞行高度通常小于4000米。常规飞艇的主要特征是在飞艇平飞、爬高和下降过程中，产生浮力的气囊的外形保持不变，飞艇内由于结构的不同，设计有装空气的副气囊、氦气囊或其他气体气囊，结构重量相对较大。

平流层飞艇的飞行高度达到20000米，其浮力气体——氦气由地面到目标高度的体积膨大达到14倍或以上。如要求常规飞艇飞升到20000米，则在地面其气囊中95％的空间是空气，因此重量大；同时，常规飞艇气囊体积大小不变，在地面的体积和20000米同样大，因此在低空飞行时阻力很大，抗风能力低。基于这两点，要求传统飞艇飞行到20000米高空，对气囊材料、能源等技术提出了极高的要求。因此，目前采用传统构形设计的飞艇飞行于平流层还有待于多项基础技术的突破。

现有平流层飞艇主要采用了高空气囊的原理，但外形变为椭球状的雪茄形，如美国的高空哨兵(HiSentile)平流层飞艇。

国外的变体飞体主要有两种，一种是2000年间美国提出的多个筒体套嵌伸缩气囊，由于重量大，结构复杂，没有工程实用性，进行了一段时间的概念宣传后就没有进一步的研究；二是高空哨兵(HiSentile)平流层飞艇，其气囊就是一只可变形的气球，其外形在上升和下降过程如同施放高空气球一样变化不定，外形可变但不可控，有效载荷小，不能有效回收和重复利用。

国内目前主要公开了三种变体飞艇：一是605所周雷2006年提出的一种飞艇变容积气囊，内有伸纵向伸展装置，经过试验保证可控外形的变体容积只能达到三倍，与平流层要求的14倍还有差距；二是珠海新概念提出的一种变体飞艇，气囊在径向变体，由于没有利用气体的高度差而引起的压差特性，因此机构复杂，重量大，实用性不强，目前没有进一步研究；三是38所提出的种可纵向变形的气囊，仅进行了功能的构想，实用也存在问题。

发明内容

本发明的目的是：

1、减小平流层飞艇的气囊体积，特别是飞艇在地面的体积，增回地面的可操作控制性。

2、实现飞艇在一定的刚度和外形的条件升空回收。

3、实现飞艇的可重复使用。

4、降低飞艇气囊的工作超压，降低气囊强度要求，减轻气囊结构重量。

为此，提出了一种气动肌肉变体平流层飞艇。

本发明的技术方案为：

所述一种气动肌肉变体平流层飞艇，包括外层气囊1，其特征在于：还包括加压管结构2、气动肌肉18以及气动肌肉控制结构；

所述加压管结构2包括纵向加压管结构和斜向加压管结构；纵向加压管结构分为左纵向加压管14、右纵向加压管23和上纵向加压管16，斜向加压管结构分为左斜向加压管15和右斜向加压管17；纵向加压管结构与外层气囊1由纤维织物联接或绑扎在一起；左斜向加压管15两端与左纵向加压管14和上纵向加压管16采用铰接方式或由纤维织物软式联接；右斜向加压管17两端与右纵向加压管23和上纵向加压管16采用铰接方式或由纤维织物软式联接；

所述气动肌肉18两端与左纵向加压管14和右纵向加压管23通过纤维织物软式联接；气动肌肉18内腔与气动肌肉控制结构连通；

所述气动肌肉控制结构包括气动肌肉供气风机22、气动肌肉控制阀20、气动肌肉供气管、气动肌肉排气管24、气动肌肉排气阀25；气动肌肉控制结构能够控制气动肌肉18体积变化。

进一步的优选方案，所述一种气动肌肉变体平流层飞艇，其特征在于：当需要收拢外层气囊1时，气动肌肉控制结构向气动肌肉18供入加压空气，气动肌肉18带动左纵向加压管14和右纵向加压管23收缩，进而带动外层气囊1横向收缩，减小外层气囊1的体积；当需要增大外层气囊1体积时，气动肌肉控制结构控制气动肌肉18向外排气，外层气囊1带动左纵向加压管14和右纵向加压管23向外运动，使外层气囊1体积增大。

进一步的优选方案，所述一种气动肌肉变体平流层飞艇，其特征在于：所述外层气囊1上安装有太阳能电池3、尾翼4、螺旋桨9、支撑轮10、充氦阀12、外气囊安全阀13；外层气囊1内部安装有压缩机5、压缩机5通过加压供气管6、加压控制阀7和加压供压管8连接加压管结构2；加压管结构2上还设置有加压管结构安全阀11。

有益效果

本发明提出的气动肌肉变体平流层飞艇，变体气囊内升力气体随着飞行高度的上升而膨胀时，气囊体积在内部加压管结构和气动肌肉装置的联动作用下随之变大，气囊外形在变化的同时能保证一定的刚度，下降时则相反。本发明在低空时气囊体积小，高空时气囊体积变大，低空时迎风面积小，减小了风阻。有内部加压管结构作为外层气囊的支撑，气囊内的气囊压差可以取小值，减小了外气囊囊布材料的强度要求，在同样要求下，可减小外气囊材料单位面积的重量。气囊超压由500帕可减小到120帕。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1平流层飞艇升空回收工作过程示意图；

图2平流层飞艇的正面结构示意图；

图3平流层飞艇的A-A截面结构示意图(最大容积状态，飞艇处于高空巡航的体积)；

图4平流层飞艇的A-A截面结构示意图(小容积状态，飞艇处于回收过程中或地面上，外层气囊收缩)；

图5平流层飞艇的A-A截面结构示意图(极小容积状态，飞艇处于回收过程中或地面上，外层气囊收缩)；

其中：1、外层气囊；2、加压管结构；3、太阳能电池；4、尾翼；5、压缩机；6、加压供气管；7、加压控制阀；8、加压供压管；9、螺旋桨；10、支撑轮；11、加压管结构安全阀；12、充氦阀；13、外气囊安全阀；14、左纵向加压管；15、左斜向加压管；16、上纵向加压管；17、右斜向加压管；18、气动肌肉；19、气动肌肉前供气管；20、气动肌肉控制阀；21、气动肌肉后供气管；22、气动肌肉供气风机；23、右纵向加压管；24、气动肌肉排气管；25、气动肌肉排气阀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是：

1、减小平流层飞艇的气囊体积，特别是飞艇在地面的体积，增回地面的可操作控制性。

2、实现飞艇在一定的刚度和外形的条件升空回收。

3、实现飞艇的可重复使用。

4、降低飞艇气囊的工作超压，降低气囊强度要求，减轻气囊结构重量。

为此，提出了一种气动肌肉变体平流层飞艇，包括外层气囊1、加压管结构2、气动肌肉18以及气动肌肉控制结构。

所述加压管结构2包括纵向加压管结构和斜向加压管结构；纵向加压管结构分为左纵向加压管14、右纵向加压管23和上纵向加压管16，斜向加压管结构分为左斜向加压管15和右斜向加压管17；纵向加压管结构与外层气囊1由纤维织物联接或绑扎在一起；左斜向加压管15两端与左纵向加压管14和上纵向加压管16采用铰接方式或由纤维织物软式联接；右斜向加压管17两端与右纵向加压管23和上纵向加压管16采用铰接方式或由纤维织物软式联接。左斜向加压管15和右斜向加压管17均能够在截面内绕上纵向加压管16转动。

所述气动肌肉18两端与左纵向加压管14和右纵向加压管23通过纤维织物软式联接；气动肌肉18内腔与气动肌肉控制结构连通。

所述气动肌肉控制结构包括气动肌肉供气风机22、气动肌肉控制阀20、气动肌肉供气管、气动肌肉排气管24、气动肌肉排气阀25；气动肌肉控制结构能够控制气动肌肉18体积变化。

当需要收拢外层气囊1时，气动肌肉控制结构向气动肌肉18供入加压空气，气动肌肉18带动左纵向加压管14和右纵向加压管23收缩，进而带动外层气囊1横向收缩，减小外层气囊1的体积，实现飞艇回收时气囊收缩减小的变体；当需要增大外层气囊1体积时，外层气囊1内的氦气压力与外界环境大气压力之压差增高，气动肌肉控制结构控制气动肌肉18向外排气，气动肌肉18放松伸展，外层气囊1的内压使外层气囊1带动左纵向加压管14和右纵向加压管23向外运动，使外层气囊1体积增大，实现飞艇升空时气囊体积增大的变体。

所述外层气囊1上还安装有太阳能电池3、尾翼4、螺旋桨9、支撑轮10、充氦阀12、外气囊安全阀13；外层气囊1内部安装有压缩机5、压缩机5通过加压供气管6、加压控制阀7和加压供压管8连接加压管结构2；加压管结构2上还设置有加压管结构安全阀11。

下面参考附图对本发明做进一步描述：

如图1，平流层飞艇一种由地面往返于平流层高度的轻于空气的飞行器，一般工作于20千米高度。平流层飞艇由地面上升到平流层高度的过程可分为发射和升空两个过程，该过程中平流层飞艇的高度不断增加，而大气压力不断减小，平流层飞艇气囊内的氦气不断膨胀。在平流层飞艇到达平流层后，飞艇进行平流层巡航，该过程中飞艇内有氦气会由于昼夜太阳光辐射的有无的交替进行而导致温度的升高与下降，从而引起飞艇内氦气超压的交替变化，为保持超压在安全范围内，飞艇的体积进行周期性交替变化。回收过程是上升过程的逆过程。

如图2和图3，该平流层飞艇，包括外层气囊1、加压管结构2、太阳能电池3、尾翼4、压缩机5、加压供气管6、加压控制阀7、与加压管相连的加压供压管8、螺旋桨9、支撑轮10、加压管结构安全阀11、充氦阀12、外气囊安全阀13、外气囊纵向加压管结构14和16及23、气动肌肉18、气动肌肉供气管19和21、气管肌肉供气风机22、气动肌肉排气阀25等组成。所述的加压控制阀7为单向阀。所述加压管结构2包括纵向加压管14和16及23、斜向加压管15和17。纵向加压管14和16及23与外层气囊由纤维织物联接或绑扎在一起。斜向加压管15和17与纵向加压管采用铰接方式或由纤维织物软式联接。斜向加压管15和17与纵向加压管16铰链或软式联接后能在截面内绕加压管16转动。加压管结构2的内腔通过加压供气管6、加压控制阀7及供压管8与压缩机5的高压端口联接，由压缩机5向压力管结构供入经过压缩的高压氦气。气动肌肉18的两端分别与两侧的纵向加压管14和23由纤维织物软式联接。气动肌肉18的内腔通过供气管19、控制阀20、供气管21所供气风机的高压端口联接。所述控制阀20为单向阀。气动肌肉18通过排气管24与排气阀25相联。

状态1，如图4和图5所示。当飞艇回收时，回收过程中飞艇的飞行高度下降，所承受的大气压力增加，飞艇内的氦气被压缩，飞艇气囊内氦气的超压减小，飞艇气囊结构的刚性变低。为保持飞艇外形的适当刚硬，需要减小飞艇的气囊的体积，因而收拢两侧部的纵向加压管14和23，使风机22通过供气管21、控制阀20、供气管19向气动肌肉18供入加压空气，气动肌肉18在供气压力的作用横向收缩，收拢侧部的纵向加压管14和23，带动外层气囊1的横向收缩，减小外层气囊的体积。气动肌肉18在收缩过程中，体积增大，进一步压缩气囊内有氦气。该装置和控制过程实现了通过减小气囊的体积而使飞艇飞艇内氦气的超压增加，从而增加飞艇气囊刚性的目的。飞艇截面外形由图3转向图4变化。

状态2，如图3所示。当飞艇发射升空时，随着飞艇飞行高度的增加，飞艇外界的大气压力减小，飞艇气囊内外的压力增大，即飞艇气囊的超压增大。为防止超压过大损坏气囊结构，需要增大气囊体积，减小超压值。为止，通过控制与气动肌肉18内腔相通的排气阀25向外排气，气动肌肉18内的气压降低，外层气囊1的内外压差通过外层气囊1带动两侧部的纵向加压管14和23向外运动，气动肌肉18放松伸展，使外层气囊1的体积增大。气动肌肉18放松伸展过程中，气动肌肉18本身的体积减小，进一步扩大了外层气囊1内氦气的膨胀空间。该装置实现了增大气囊的体积而使飞艇内氦气的超压降低，从而保持飞艇气囊超压在安全范围内的目的。该过程中，飞艇截面外形由图4向图3转变。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种气动肌肉变体平流层飞艇，包括外层气囊(1)，其特征在于：还包括加压管结构(2)、气动肌肉(18)以及气动肌肉控制结构；

所述加压管结构(2)包括纵向加压管结构和斜向加压管结构；纵向加压管结构分为左纵向加压管(14)、右纵向加压管(23)和上纵向加压管(16)，斜向加压管结构分为左斜向加压管(15)和右斜向加压管(17)；纵向加压管结构与外层气囊(1)由纤维织物联接或绑扎在一起；左斜向加压管(15)两端与左纵向加压管(14)和上纵向加压管(16)采用铰接方式或由纤维织物软式联接；右斜向加压管(17)两端与右纵向加压管(23)和上纵向加压管(16)采用铰接方式或由纤维织物软式联接；

所述气动肌肉(18)两端与左纵向加压管(14)和右纵向加压管(23)通过纤维织物软式联接；气动肌肉(18)内腔与气动肌肉控制结构连通；

所述气动肌肉控制结构包括气动肌肉供气风机(22)、气动肌肉控制阀(20)、气动肌肉供气管、气动肌肉排气管(24)、气动肌肉排气阀(25)；气动肌肉控制结构能够控制气动肌肉(18)体积变化。

2.根据权利要求1所述一种气动肌肉变体平流层飞艇，其特征在于：当需要收拢外层气囊(1)时，气动肌肉控制结构向气动肌肉(18)供入加压空气，气动肌肉(18)带动左纵向加压管(14)和右纵向加压管(23)收缩，进而带动外层气囊(1)横向收缩，减小外层气囊(1)的体积；当需要增大外层气囊(1)体积时，气动肌肉控制结构控制气动肌肉(18)向外排气，外层气囊(1)带动左纵向加压管(14)和右纵向加压管(23)向外运动，使外层气囊(1)体积增大。

3.根据权利要求1或2所述一种气动肌肉变体平流层飞艇，其特征在于：所述外层气囊(1)上安装有太阳能电池(3)、尾翼(4)、螺旋桨(9)、支撑轮(10)、充氦阀(12)、外气囊安全阀(13)；外层气囊(1)内部安装有压缩机(5)、压缩机(5)通过加压供气管(6)、加压控制阀(7)和加压供压管(8)连接加压管结构(2)；加压管结构(2)上还设置有加压管结构安全阀(11)。