CN108706091B - 一种仿生平流层飞艇 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种仿生平流层飞艇，属于飞行器设计技术领域，平流层飞艇的艇体外形根据僧帽水母的外形放样获得，艇体内部设有一个以上的主气囊、一个以上的副气囊和一个热调节气囊，主气囊内填充有密度比空气轻的气体，主气囊设置在艇体内部的上层，主气囊上部设置有气阀一，副气囊内填充有空气，副气囊设置在艇体内部的下层，副气囊底部设置有气阀二和鼓风机，热调节气囊设置在艇体内部的中层，热调节气囊内部设有热力循环装置，热调节气囊内填充有气液可逆调控的工质，在超热和超压工况下，通过热力循环装置将工质由气态转化为液态，在超冷工况下，通过热力循环装置将工质由液态转化为气态。

Description

一种仿生平流层飞艇
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种仿生平流层飞艇。
背景技术
平流层飞艇作为临近空间浮空器的主要形式，能够有效弥补当前航空和航天装备的不足，在军事和民用领域具有广泛的应用前景。现有平流层飞艇技术方案主要包括单囊体方案和主副气囊方案两大类。
单囊体方案，如“高空哨兵”飞艇；
“高空哨兵”飞艇仅有一个主气囊，为单囊体方案。升降过程中主气囊自由膨胀或压缩，不与外界发生质量交换，特殊情况下通过释放氦气或抛压舱物实现小幅的浮力与压力调节，不具备可逆的浮力与压力调节能力，难以实现长期区域驻留和可控升降。
主副气囊方案，如高空飞艇；
高空飞艇采用主气囊加副气囊的主副气囊方案，通过风机和阀门控制副气囊与外界大气的质量交换。这一方案虽然克服了单囊体的缺点，但仅有“空气质量流率”单一调节方式，无法有效解决“超冷”和“超热”问题；且风机和阀门吸排气流率有限，不能实现高效的浮力与压力调节。此外，“主副气囊”方案通常采用椭球旋转体外形，且体积大、惯性大，所受气动阻尼大。
一方面，平流层飞艇作为“热飞行器”，放飞升空、区域驻留和下降返回过程中大气环境参数大幅变化，艇内气体由于热力学膨胀、压缩以及同外界热交换，产生“超冷”、“超热”现象，导致浮力、压力和飞行状态参数大幅变化，对飞行控制和安全运行产生严重影响。另一方面，平流层飞艇作为“轻于空气的飞行器”且飞行速度较低，飞行航迹受风场扰动影响显著。
鉴于上述单囊体和主副气囊方案的局限与不足，须探索平流层飞艇设计的新思路与新方法。
“仿生”是人类最早、最朴素的学习方式和生存手段，也是研究者从自然界汲取知识和获取灵感的重要方法。经过千百万年的自然演变和优化选择，生物体获得了高超的生存技能和极强的环境适应能力，为科技创新提供了取之不竭的知识宝库和学习源泉。僧帽水母作为一类浮游腔肠动物，具有独特的环境适应性：体腔内充有一定体积的气体；鳔长9-30cm，可将气体注入鳔内，通过充放气实现浮沉；具有多个气泡状的浮囊体，浮囊体内有纵隔，内壁气腺分泌气体用于实现浮力与压力调节。
发明内容
为了克服现有平流层飞艇技术领域中存在的不足，本发明提出了一种仿生平流层飞艇，以僧帽水母为仿生对象，采用形态仿生思路设计平流层飞艇外形，减小气动阻力、改善气动特性，采用功能仿生的思路设计主气囊、副气囊和热调节气囊，增加浮力和压力调节手段及效率，从而提高平流层飞艇的操控性以及对复杂环境的适应性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种仿生平流层飞艇，平流层飞艇的艇体外形根据僧帽水母的外形放样获得，所述艇体内部设有一个以上的主气囊、一个以上的副气囊和一个热调节气囊，所述主气囊内填充有密度比空气轻的气体，所述主气囊设置在所述艇体内部的上层，所述副气囊内填充有空气，所述副气囊设置在所述艇体内部的下层，所述热调节气囊设置在艇体内部的中层，所述热调节气囊内填充有气液状态可逆调控的工质，所述热调节气囊的内部设有用于对工质加热或加压的热力循环装置。
作为优选的，所述艇体内部均匀分布有四个主气囊，每个所述主气囊的顶部都设置有用于对主气囊充放气的第一阀门。
作为优选的，所述艇体内部均匀分布有四个副气囊，每个所述副气囊的底部都设置有用于对副气囊放气的第二阀门和充气的鼓风机。
作为优选的，所述主气囊内填充的气体为氦气。
作为优选的，所述艇体的蒙皮采用高强轻质复合材料制成。
作为优选的，所述四个主气囊和四个副气囊依次从左至右首尾相接排列设置，靠近两侧的两个主气囊对应侧下边沿与靠近两侧的两个副气囊对应侧下边沿对接，设置在中部的主气囊两对侧下边沿与设置在中部的副气囊两对侧下边沿对接，所述热调节气囊侧壁边沿设置两侧主气囊与两侧副气囊之间以及设置在中部的主气囊和设置在中部的副气囊之间形成的封闭空间内。
作为优选的，所述热调节气囊内所填充工质为氨气。
作为优选的，所述热力循环装置包括用于将工质由气态转化为液态的压缩单元和用于将工质由液态转化为气态的加热单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1)艇体外形根据僧帽水母的外形曲线设计而得，相比于常规的椭球旋转体外形和球形，根据僧帽水母流线型外形设计的平流层飞艇减小了气动阻力、改善了气动特性；
2)采用多个主气囊且均匀分布在艇体内部上层，相比于单囊体方案升降过程中通过单一阀门释放氦气实现小幅的浮力与压力调节，本发明中均匀分布的多个主气囊同时通过第一阀门均衡地释放氦气，其氦气质量流率成倍增加，由此提高浮力和压力的调节效率；
3)采用多个副气囊且均匀分布在艇体内部下层，相比于主副气囊方案，本发明中均匀分布的多个副气囊通过设置在底部的第二阀门与外界大气进行质量交换，其空气质量流率成倍增加，由此提高浮力和压力的调节效率；
4)采用艇体内部中层的热调节气囊，相比于单囊体和主副气囊方案，在超热和超压工况下通过热力循环装置将工质由气态转化为液态，工质由气态转化为液态的过程中吸收大量的热量，根据热力学定律，由此大幅缩小热调节气囊的体积以及减小压强，在超冷工况下通过热力循环装置将工质由液态转化为气态，工质由液态转化为气态的过程中释放大量的热量，根据热力学定律，由此大幅增大热调节气囊的体积以及增加压强，从而大范围的调节的浮力和压力。
附图说明
图1是仿生平流层飞艇的外形及组成示意图；
图例说明：1：艇体，2：主气囊，21：第一阀门，3：副气囊，31：第二阀门，32：鼓风机，4：热调节气囊，41：热力循环装置。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1所示，一种仿生平流层飞艇，根据僧帽水母的外形放样获得，艇体1的内部设有四个均匀分布在艇体1内部上层的主气囊2、四个均匀分布在艇体1内部下层的副气囊3和一个设置在艇体1内部中层的热调节气囊4，主气囊2内通过充气泵对主气囊2填充氦气，从而增加艇体1的浮力，封闭第一阀门21能保证主气囊2内部的气密性，打开第一阀门21 能够通过释放氦气减小艇体1的浮力，副气囊3内通过鼓风机32对副气囊3填充空气，从而增加飞艇的总重，相当于减小浮力，封闭第二阀门31能保证副气囊3内部的气密性，打开第二阀门31能够通过释放空气减小飞艇的总重，相当于增大艇体1的浮力，热调节气囊4内填充有通过热力循环装置41可逆调控的工质，热调节气囊4的内部是封闭的。
在超热和超压工况下，热力循环装置41的压缩单元将工质由气态转化为液态，工质由液态转化为气态的过程中吸收大量的热量，根据热力学定律，减小热调节气囊4的体积大小和内部压力，平衡仿生平流层飞艇内部的压力，减小仿生平流层飞艇的整体浮力，从而通过控制热力循环装置4对工质加压，实现对仿生平流层飞艇压力和浮力的调节，当仿生平流层飞艇在外界环境变化的情况下，将要上升离开预设的驻留区域时，通过热力循环装置41及时的调整仿生平流层飞艇的状态，保证平流层飞艇能够在预定的驻留区域内执行相关工作。
在超冷工况下，热力循环装置41的加热单元将工质加热由液态转化为气态，工质由气态转化为液态的过程中释放大量的热量，根据热力学定律，增大热调节气囊4的体积大小和内部压力，弥补仿生平流层飞艇内部压力的同时，增加仿生平流层飞艇的整体浮力，从而通过控制热力循环装置4对工质加热，实现对仿生平流层飞艇压力和浮力的调节，当仿生平流层飞艇在外界环境变化的情况下，将要降落离开预设的驻留区域时，通过热力循环装置41及时的调整仿生平流层飞艇的状态，维持仿生平流层飞艇在预定的驻留区域内稳定的执行相关工作。
通过上述主气囊2、副气囊3的充放气以及热调节气囊4内工质的可逆调控，实现对平流层飞艇有效的浮力和压力调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种仿生平流层飞艇，其特征在于，平流层飞艇的艇体外形根据僧帽水母的外形放样获得，所述艇体内部设有一个以上的主气囊、一个以上的副气囊和一个热调节气囊，所述主气囊内填充有密度比空气轻的气体，所述主气囊设置在所述艇体内部的上层，所述副气囊内填充有空气，所述副气囊设置在所述艇体内部的下层，所述热调节气囊设置在艇体内部的中层，所述热调节气囊内填充有气液状态可逆调控的工质，所述热调节气囊的内部设有用于对工质加热和加压的热力循环装置；
所述艇体内部均匀分布有四个所述主气囊，每个所述主气囊的底部都设置有用于对主气囊放气的第一气阀；
所述艇体内部均匀分布有四个所述副气囊，每个所述副气囊的底部都设置有用于对副气囊放气的第二气阀和充气的鼓风机；
四个所述主气囊和四个所述副气囊依次从左至右首尾相接排列设置，靠近两侧的两个主气囊对应侧下边沿与靠近两侧的两个副气囊对应侧下边沿对接，设置在中部的主气囊两对侧下边沿与设置在中部的副气囊两对侧下边沿对接，所述热调节气囊侧壁边沿设置在两侧主气囊与两侧副气囊之间以及中部的主气囊和中部的副气囊之间形成的封闭空间内。
2.根据权利要求1所述的一种仿生平流层飞艇，其特征在于，所述主气囊内填充的气体为氦气。
3.根据权利要求2所述的一种仿生平流层飞艇，其特征在于，所述艇体的蒙皮采用高强轻质复合材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种仿生平流层飞艇，其特征在于，所述热调节气囊内所填充工质的成分包括氨气。
5.根据权利要求4所述的一种仿生平流层飞艇，其特征在于，所述热力循环装置包括用于将工质由气态转化为液态的压缩单元和用于将工质由液态转化为气态的加热单元。
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