CN106741807A - 一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，包括：通过粘扣式捆扎带，将飞艇的囊体按平流层环境的浮重平衡要求及裕量所需的囊体容积隔离出充气和不充气两部分，囊体不充气部分成束状。本发明的方法使非充气腔体在地面起飞释放前基本呈一束形态，以缩小囊体迎风面积，达到降低风载、提高放飞可靠性的目的。

Description

一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法

技术领域

本发明涉及飞艇领域，特别涉及一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法。

背景技术

由于平流层飞艇的体积巨大，在放飞时，在地面风的作用下，会形成风载，严重的会影响到飞艇安全。如何降低风载是平流层飞艇安全放飞的关键。平流层飞艇囊体主要有流线型和单囊/多囊组合球形两种形式。流线型飞艇一般为了保形，其囊体采用浮升气囊+空气囊组合方式，并通过压力控制进行浮力的调节，囊体的外廓形状不变，相应的升空方式以保形为主，以充分发挥流线低阻优势。单囊/多囊组合飞艇的浮升囊体的形状为球体，它强调囊体材料的利用率和强度的有效发挥，对升空过程的流线低阻性的要求不高，因此，一般采用非保形的升空方式。流线型飞艇在地面放飞时，可通过调整方位，利用流线型来降低风载，而球形囊体由于对称的特点，各个方向的风载是一样的，降低球形囊体风载需另辟蹊径。

飞艇的升空/驻空是通过净浮力来实现的，其浮升气体一般是在囊体地面放飞前就已充好。充气量主要考虑了平台及有效载荷的总重与囊体在工作高度所能提供浮力的浮重平衡。其中，平台及有效载荷的质量不变，而浮力在升空过程中，随着囊体体积和环境大气密度的变化而变化。对于单囊/多囊组合的平流层飞艇来说，考虑到大气密度和大气压力变化对浮力和体积膨胀量的综合作用，在满足平流层工作高度浮重平衡条件下，即使浮升气体留有过充量，在地面放飞时，实际充气囊体蒙皮部分所占整个囊体较小，这样，放飞过程中囊体一般呈非保形形态。

随着飞艇升空过程高度的上升，环境大气压逐渐降低。在平流层底部(平流层飞艇工作高度)，大气压仅为地面的1/18，考虑到囊体内外气体压差对囊体的膨胀作用，在地面充入囊体内的浮升气体仅占整个囊体的一小部分。同时，为了弥补因空气密度降低(平流层飞行高度的大气密度仅为地面的1/14)而损失的浮力，工作于平流层环境的飞艇囊体的尺寸较大。从目前的单囊/多囊组合平流层飞艇的实际产品看，单个囊体的直径至少为数十米，蒙皮面积达数千平米。所以，对于采用非保形升空的单囊/多囊组合平流层飞艇来说，在地面高度，会有无须充气的较大囊体蒙皮面积处于自由状态。飞艇放飞前，一般囊体是通过拉绳锚固在放飞平台(或地面)上，在地面风的作用下，若不对囊体呈自由状态(非充气)蒙皮的形状进行约束控制，有可能形成较大面积风帆，给飞艇的放飞带来了安全隐患。通过计算，地面风力达到3级以上时，囊体的风载将是非常巨大的，而放飞试验场一般很少有持续2个小时以上不出现3级以上地面风的情况。若不解决非保形上升过程中可能出现的风帆效应，将会影响飞艇安全放飞的可靠度。

发明内容

本发明的目的在于克服单囊/多囊组合平流层飞艇非保形放飞前在地面可能产生的风帆效应，从而提供一种能够有效降低飞艇囊体风阻的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，包括：

通过粘扣式捆扎带，将飞艇的囊体按平流层环境的浮重平衡要求及裕量所需的囊体容积隔离出充气和不充气两部分，囊体不充气部分成束状。

上述技术方案中，该方法具体包括以下步骤：

步骤1)、将已装好拉网的囊体纵向展开，然后依顺序逐瓣展开囊瓣、整理纵向承力带；

步骤2)、计算囊体的地面充气量，然后按囊体地面充气量设计的捆扎部位将捆扎带环绕在囊体的纬向上；接着按设计标记可靠连接捆扎带上的搭扣，形成约束；

步骤3)、通过充气管向安装在囊体上部的充气腔充气；在囊体提升过程中，采用专人控制捆扎带中的解锁牵拉绳的释放长度，要求留有余量，并且避免与各种逐渐展开的绳索发生干涉；充好气的囊体，根据具体型号设计，完成放飞前的各种浮力转移；

步骤4)、在放飞场，按放飞程序口令，由专人通过解锁牵拉绳拉开捆扎带的搭扣，囊体成束部分展开；拉开搭扣后，尽快实施放飞操作，以缩短展开囊体风帆效应的影响；

步骤5)、飞艇起飞后，捆扎带收卷。

上述技术方案中，在步骤2)中，采用捆扎带捆扎囊体时，要求捆扎带均布在折叠的囊瓣周向上，并且不能与纵向承力带缠绕。

上述技术方案中，所述捆扎带包括：粘扣环带、解锁牵拉绳、胶带；其中，粘扣环带由环带及缝合在其上的粘接扣带组成；解锁牵拉绳用于地面人员撕开捆扎在囊体上的粘接扣带；胶带主要用于将粘扣环带不需要粘接的部位隔离。

上述技术方案中，所述粘扣环带一端的表面上缝合有表面有细小钩子的钩面粘扣带，其另一端的表面上缝合有表面有毛圈的毛面粘扣带；当粘扣环带捆扎囊体时，所述钩面粘扣带与毛面粘扣带扣合。

上述技术方案中，所述粘扣环带的总长度根据捆扎囊体材料的厚度、总幅宽以及余量进行计算。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出了一种降低飞艇囊体风阻的技术实现途径，即在充气前对球形囊体按地面充气量进行捆扎束缚，将囊体分为充气腔体和非充气腔体两部分，使非充气腔体在地面起飞释放前基本呈一束形态，以缩小囊体迎风面积，达到降低风载、提高放飞可靠性的目的；

(2)本发明基于粘扣的粘接、解扣功能，提出了由粘扣环带和拉绳构成捆扎带的结构，并且通过胶布对粘接扣进行包覆，以调整有效搭扣结合尺寸。粘扣带总长度采用囊体实物，在捆扎位置通过现场适配的方式确定。由于地面放飞时的囊体张力较小，对囊体的束紧力以满足囊体捆扎带与被束缚的囊体不松脱的所需要的摩擦力法向压力即可。放飞释放囊体时，以满足人员臂力就能撕开粘扣的要求设计粘接扣带的宽度。粘扣式捆扎带便于囊体捆扎时的粘接、囊体释放时的解扣，是一种简易可靠的实现方式。

附图说明

图1是多囊体组合平流层飞艇示意图；

图2是拉网式囊体结构组成图；

图3是非束缚状态囊体放飞锚固示意图；

图4是束缚状态囊体放飞锚固示意图；

图5是囊体捆扎的正面视图；

图6是囊体捆扎的俯视图；

图7是粘接扣带扣合示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，非保形放飞的单囊/多囊组合平流层飞艇是由多个功能独立的单囊体组合而成的。因此，在下面的描述中将以单囊体为例对本发明的方法进行说明。但本发明的方法同样适用于由多个功能独立的单囊体组成的非保形放飞的单囊/多囊组合平流层飞艇。

1、单囊体的受力分析

为了更好地说明本发明的方法，首先对囊体做受力分析。以目前囊体常用的拉网式结构为例，对其做受力分析。如图2所示，拉网式囊体一般在囊体上部固定有法兰组件。用于承力的多条纵向承力带，向上汇聚固联在囊体的法兰组件上，向下最后汇聚在囊体下方的承力带汇聚环上。多条纵向承力带承受着整个囊体浮力和囊体风载的共同作用。

单囊体浮力的传力途径主要是：囊体本体—法兰组件—多条纵向承力带—承力带汇聚环—吊点集束联接绳—桁架结构(挂载平台设备和有效载荷)。相应的在地面放飞前锚固的囊体结构如图3所示，放飞是通过切割拉绳实现浮力从拉绳转移到桁架带载结构上的。

在放飞前，非保形单囊/多囊组合平流层飞艇的主要故障模式是纵向承力带的断裂，致使囊体脱离，造成放飞失败。其解决的措施有两个途径，一是增强承力带的数量和材料的强度，这样会增加产品的重量和成本；二是降低外载荷力，外载荷力主要来自于放飞前囊体对地面风的风阻。阻力值为：

其中，空气密度ρ_air、抗风速度V_r两个参数是由环境所决定的。C_d为囊体形状阻力系数，S为迎风等效面积，这两个参数可进行人为调整。因此，本发明可通过改变囊体的形状和迎风等效面积来降低风阻。

2、总体方案

在囊体充气前，本发明的方法是通过粘扣式捆扎带，将囊体按平流层环境的浮重平衡要求及裕量所需的囊体容积隔离出充气和不充气两部分，囊体不充气部分成束状(见图4)。这样，相对非束缚状囊体(见图3)，束缚后囊体的风阻随着迎风面积缩小和形状的改变而降低。

3、具体实现方案

本发明的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法具体包括以下步骤：

步骤(1)、囊体展开：将已装好拉网的囊体在厂房内纵向展开，然后依顺序逐瓣展开囊瓣、整理纵向承力带；

步骤(2)、安装捆扎带：计算囊体的地面充气量，然后按囊体地面充气量设计的捆扎部位将捆扎带环绕在囊体的纬向上；接着按设计标记，可靠连接捆扎带上的搭扣，形成合适的约束。其中，在捆扎带的上述安装过程中，要求捆扎带均布在折叠的囊瓣周向上，并且不能与纵向承力带缠绕。

步骤(3)、囊体充气及浮力转移：通过充气管向安装在囊体上部的充气腔充气。在囊体提升过程中，采用专人控制解锁拉绳的释放长度，要求留有余量，并且避免与各种逐渐展开的绳索发生干涉。充好气的囊体，根据具体型号设计，完成放飞前的各种浮力转移。

步骤(4)、捆扎带的解锁：在放飞场，按放飞程序口令，由专人通过解锁拉绳拉开捆扎带的搭扣，囊体成束部分展开。要求在程序设计上，拉开搭扣后，尽快实施放飞操作(切割锚固绳等)，以缩短展开囊体风帆效应的影响。

步骤(5)、飞艇放飞和捆扎带收卷：飞艇起飞后，捆扎带收卷。

下面对本发明中所涉及的捆扎带的结构进行说明。

捆扎带包括：粘扣环带、解锁牵拉绳、胶带。图5为囊体捆扎的正面示意图，图6为囊体捆扎的俯视图。其中，粘扣环带是捆扎囊体的核心部件，由环带及缝合在其上的粘接扣带组成；而解锁牵拉绳用于地面人员撕开捆扎在囊体上的粘接扣带。胶带主要用于将粘扣环带不需要粘接的部位隔离。

环带材料一般采用锦丝带，常用规格(50-450)的性能如表1所示。

表1锦丝带50-450性能

名称	锦丝带
		规格	50-450
宽度	50mm
		厚度	0.65±0.15mm
重量	≤17.0g/m
		断裂强力	≥4410N
断裂伸长率	25％～45％

在图7中，对粘扣环带的结构做了详细描述。如图所示，粘扣环带的主体一般由锦纶、涤纶等合成纤维材料通过机织制成，其一端的表面上缝合有表面有细小钩子的钩面粘扣带，其另一端的表面上缝合有表面有毛圈的毛面粘扣带。当粘扣环带捆扎囊体时，钩面粘扣带与毛面粘扣带扣合。这一结构的粘扣环带能反复拆开、扣合使用。

粘扣环带分普通型和加强型。在实际操作时，根据所要捆扎的囊体的需要，按表2中的力学性能选用普通型或加强型的粘扣环带。

表2粘扣环带力学性能

在外观上，对于粘接扣带的钩面带，要求钩子排列整齐、钩型完好、厚薄一致、无明显凹凸不平；对于粘接扣带的圈面带，要求毛面均匀，厚薄一致、无明显凹凸不平。粘接扣带外表面应无明显污渍，色泽统一均匀，无明显色差、色花。

粘扣环带的宽度和长度

粘扣环带宽度可参考常用规格和强度确定，相应的宽度尺寸允差如表3所示。

表3粘扣环带尺寸允差

粘扣环带总长度由有效闭合区域长度和非粘接长度两部分组成。

总长度主要考虑捆扎囊体的体量，可根据捆扎囊体材料的厚度、总幅宽并留有余量进行估算，一般常用的方法是用囊体实物，在捆扎位置通过现场适配的方式确定粘扣环带的长度。

有效闭合区域是指钩面带和圈面带粘合后形成的重叠区域，相应的尺寸参数是有效长度和有效宽度。有效长度是指有效闭合区域在粘接扣带长度的尺寸。有效宽度不包括粘接扣带基边的尺寸。有效闭合尺寸主要考虑束缚的剪切强度和释放解扣的剥离强度。剪切强度是指在规定的试验条件下，将粘接扣带有效闭合区域沿其长度方向以恒定速度拉伸，使钩面带和圈面带平行分开每单位所需的最大力。粘扣环带的剪切强度决定了束缚带捆扎的最大强度，囊体束缚力主要与囊体蒙皮的张紧力有关。按材料各向同性假设，蒙皮张紧力与囊体曲率半径和囊体内外气压差有关。由于在地面，充入囊体内的气压与大气平衡，囊体蒙皮的张力很小，选用粘接扣带规格就可实现对囊体的束缚。这样，束缚预紧力以满足囊体捆扎带与被束缚的囊体不松脱的所需要的摩擦力法向压力即可。剥离强度是在规定的试验条件下，将粘接扣带有效闭合区域从开口一端剥离分开每单位有效宽度所需的力。粘接扣带的剥离力应以满足通过人员臂力就能撕开粘扣的要求。在选定粘扣规格后剥离力与材料的宽度有关。

粘扣环带粘接长度区域一般留有一定的余量，对于不需粘接的区域可用胶带包覆的方法，避免与囊体粘连。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，包括：

通过粘扣式捆扎带，将飞艇的囊体按平流层环境的浮重平衡要求及裕量所需的囊体容积隔离出充气和不充气两部分，囊体不充气部分成束状。

2.根据权利要求1所述的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1)、将已装好拉网的囊体纵向展开，然后依顺序逐瓣展开囊瓣、整理纵向承力带；

步骤2)、计算囊体的地面充气量，然后按囊体地面充气量设计的捆扎部位将捆扎带环绕在囊体的纬向上；接着按设计标记可靠连接捆扎带上的搭扣，形成约束；

步骤3)、通过充气管向安装在囊体上部的充气腔充气；在囊体提升过程中，采用专人控制捆扎带中的解锁牵拉绳的释放长度，要求留有余量，并且避免与各种逐渐展开的绳索发生干涉；充好气的囊体，根据具体型号设计，完成放飞前的各种浮力转移；

步骤4)、在放飞场，按放飞程序口令，由专人通过解锁牵拉绳拉开捆扎带的搭扣，囊体成束部分展开；拉开搭扣后，尽快实施放飞操作，以缩短展开囊体风帆效应的影响；

步骤5)、飞艇起飞后，捆扎带收卷。

3.根据权利要求2所述的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，其特征在于，在步骤2)中，采用捆扎带捆扎囊体时，要求捆扎带均布在折叠的囊瓣周向上，并且不能与纵向承力带缠绕。

4.根据权利要求2所述的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，其特征在于，所述捆扎带包括：粘扣环带、解锁牵拉绳、胶带；其中，粘扣环带由环带及缝合在其上的粘接扣带组成；解锁牵拉绳用于地面人员撕开捆扎在囊体上的粘接扣带；胶带主要用于将粘扣环带不需要粘接的部位隔离。

5.根据权利要求4所述的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，其特征在于，所述粘扣环带一端的表面上缝合有表面有细小钩子的钩面粘扣带，其另一端的表面上缝合有表面有毛圈的毛面粘扣带；当粘扣环带捆扎囊体时，所述钩面粘扣带与毛面粘扣带扣合。

6.根据权利要求4所述的非保形上升飞艇地面束缚放飞方法，其特征在于，所述粘扣环带的总长度根据捆扎囊体材料的厚度、总幅宽以及余量进行计算。