CN109502002B - 碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高空气球吊舱领域，提供了一种碳纤维复合材料重载吊舱框架，包括：主承力竖杆、主承力斜杆和横杆，主承力竖杆和主承力斜杆均为中空结构，且内部的两端均预埋有第一连接接头，主承力竖杆预埋接头内部和主承力斜杆预埋接头内部缠绕有纤维束，其张紧缠绕于第一连接接头的凹槽，并将主承力竖杆两端的第一连接接头和主承力斜杆两端的第一连接接头连接起来，主承力竖杆与主承力斜杆通过第一连接接头连接，并与横杆连接构成吊舱主体框架。本发明公开本发明的连接方法，采用第一连接接头预埋在主承力竖杆内部和主承力斜杆内部的设计，并利用纤维束将第一连接接头连接起来，结构简单轻便，强度高，承载能力好，耐低温低压，且便于拆卸。

Description

碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法

技术领域

本发明涉及高空气球吊舱领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法。

背景技术

高空气球是一种轻于空气的无动力浮空器，高空气球分为零压气球和超压气球两类，零压气球具有体积大、载荷重、升限高等优点；而超压气球则具有高度稳定性好、飞行时间长等特点。高空气球系统包括气球球体、舱外定时分离装置、降落伞、舱外敷设导线、结缆、吊舱、着陆缓冲器、地面综合保障设施等。

零压气球当其浮力大于飞行系统自身的重量时，气球系统上升；反之气球水平运动的方向和速度则完全依赖于其所在高度的风向和风速，处于稳定风层中的气球飞行系统的水平运动速度和方向与风速和风向基本一致。飞行结束时由于载荷与球体突然分离，球体失去原有的平衡状态，球内浮升气体的重新分布会对球膜产生极大的冲击从而将气球破坏，随后飘落地面。而搭载有效载荷的吊舱等结构会随着回收伞安全着陆到地面。

零压气球除了携带维持自身平台功能的载荷和结构，还可以搭载电子通信设备、红外相机和预警雷达等不同类型的监视探测设备，以实现通信中继、对地观测和侦察预警等功能。零压气球载荷吊舱是提供有效载荷正常工作的平台，保护球载设备和有效载荷免受飞行过程中低温低压环境的影响。由于载荷吊舱是零压气球系统必不可少的重要组成部分，实现吊舱结构轻量化-任务载荷增加的良性循环是必然趋势。

零压气球的飞行高度一般在30km左右，飞行环境温度在-70℃左右，考虑到零压气球的载荷重，实现碳纤维复合材料轻量化重载吊舱显得十分紧迫。但是碳纤维轻量化吊舱遇到了低温低压适应性问题和连接设计问题。主要表现在以下方面：

1)碳纤维轻量化重载吊舱在临近空间-70℃低温环境下的连接强度不可靠；

2)重载吊舱关键部件胶接和预埋连接具体连接工艺和设计方法不满足重载承载能力要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法，解决现有技术重载吊舱存在的结构笨重，承载能力差，低温低压条件下适应性差中至少一个问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维复合材料重载吊舱框架，包括：多根主承力竖杆、多根主承力斜杆和多根横杆，所述主承力竖杆和所述主承力斜杆均为中空结构，且所述主承力竖杆内部和所述主承力斜杆内部的两端均预埋有第一连接接头，所述第一连接接头的外表面构造有横向和纵向的凹槽，所述主承力竖杆和所述主承力斜杆由纤维束缠绕，且所述纤维束张紧缠绕于所述主承力斜杆内部的所述第一连接接头的凹槽，并将所述主承力斜杆两端的所述第一连接接头连接起来，所述纤维束张紧缠绕于所述主承力竖杆内部的所述第一连接接头的凹槽，并将所述主承力竖杆两端的所述第一连接接头连接起来，所述主承力竖杆内一端的所述第一连接接头与所述主承力斜杆内一端的所述第一连接接头铰接，并与多根所述横杆连接构成吊舱主体框架。

其中，还包括三向接头，所述三向接头具有第一向接头、第二向接头、以及设置在同一直线上的第三向第一接头和第三向第二接头，所述第三向第一接头连接于所述主承力竖杆一端的所述第一连接接头，所述第三向第二接头铰接于所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头，所述第一向接头和所述第二向接头分别连接于横向和纵向的布置的所述横杆。

其中，还包括第二连接接头和第三连接接头，所述第二连接接头的一端连接于所述三向接头的所述第三向第二接头，所述第二连接接头的另一端具有凹槽部，所述第三连接接头的一端具有与所述凹槽部匹配的凸起部，所述第二连接接头与所述第三连接接头通过匹配的所述凹槽部和凸起部铰接，所述第三连接接头的另一端连接于所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头。

其中，所述第二连接接头的所述凹槽部构造有第一螺栓孔，所述第三连接接头的所述凸起部构造有与所述第一螺栓孔相匹配的第二螺栓孔。

其中，所述第一连接接头的一端构造有内螺纹，另一端为中空结构，所述主承力竖杆一端和/或所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头构造有与所述内螺纹相匹配的外螺纹。

其中，还包括多通接头，所述多通接头呈圆管状，由碳纤维制成，所述主承力竖杆和所述横杆通过所述多通接头胶接连接起来。

其中，所述主承力斜杆为碳纤维圆管，且在所述碳纤维圆管的两端缠绕有所述纤维束，所述主承力竖杆为等截面碳纤维圆管。

其中，所述第一连接接头由钛合金材质制成，且其端面呈0.1-1.0°的倾斜角。

本发明还公开一种如本发明的碳纤维复合材料重载吊舱框架的连接方法，包括：

将第一连接接头分别预埋于主承力竖杆内部的两端和主承力斜杆内部的两端；

利用纤维束勒紧于第一连接接头的凹槽，并将预埋于主承力竖杆内部的两端的第一连接接头连接起来和/或将预埋于主承力斜杆内部的两端的第一连接接头连接起来；

多根主承力竖杆与多根主承力斜杆通过第一连接接头连接，并与多根横杆连接构成吊舱主体框架。

其中，第一连接接头的凹槽的宽度和深度根据承载要求和纤维束的粗细进行设计；采用正负角纤维铺设方式对第一连接接头进行纤维束缠绕，同时周向勒紧纤维束，并在缠绕过程中注入环氧树脂胶粘剂。

(三)有益效果

本发明提供的碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法，采用第一连接接头预埋在主承力竖杆内部和主承力斜杆内部的设计，并利用纤维束将第一连接接头连接起来，大大减少了重载吊舱螺钉连接个数，本发明结构简单轻便，强度高，承载能力好，便于拆卸，耐低温低压。

附图说明

图1为本发明碳纤维复合材料重载吊舱框架的结构示意图；

图2为本发明第一连接接头的结构示意图；

图3为本发明第一连接接头的纵截面示意图；

图4为本发明主承力竖杆的结构示意图；

图5为本发明主承力斜杆的结构示意图；

图6为本发明三向接头的结构示意图；

图7为本发明第二连接接头的结构示意图；

图8为本发明第三连接接头的结构示意图；

图9为零压气球系统结构示意图。

图中，1、三向接头；101、第一向接头；102、第二向接头；103、第三向第一接头；104、第三向第二接头；2、碳纤维短套管；3、主承力竖杆；4、直角四通接头；5、“T”字型三通接头；6、碳纤维板固定金属件；7、碳纤维板；8、第二连接接头；9、第三连接接头；10、主承力斜杆；11、十字四通接头；12、横向横杆；13、纵向横杆；14、第一连接接头；141、凹槽；142、内螺纹；143、中空结构；15、纤维束；16、气球；17、加强带；18、排气管；19、舱外定时分离装置；20、回收伞；21、舱外敷设导线；22、结缆；23、重载吊舱；24、着陆缓冲器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图9所示，本发明提供一种碳纤维复合材料重载吊舱框架，包括：多根主承力竖杆3、多根主承力斜杆10和多根横杆，主承力竖杆3和主承力斜杆10均为中空结构，且主承力竖杆3内部和主承力斜杆10内部的两端均预埋有第一连接接头14，第一连接接头14的外表面构造有横向和纵向的凹槽141，主承力竖杆3和主承力斜杆10由纤维束15缠绕，且纤维束15张紧缠绕于主承力斜杆10内部的第一连接接头14的凹槽141，并将主承力斜杆10两端的第一连接接头14连接起来，纤维束15张紧缠绕于主承力竖杆3内部的第一连接接头14的凹槽，并将主承力竖杆3两端的第一连接接头14连接起来，主承力竖杆3内一端的第一连接接头14与主承力斜杆10内一端的第一连接接头14铰接，并与多根横杆连接构成吊舱主体框架。

具体的，如图9所示，本发明的重载吊舱23设置于零压气球系统的底部，重载吊舱23底部设置有着陆缓冲器24，其顶部连接有结缆22，舱外敷设导线21，回收伞20，舱外定时分离装置19，排气管18，加强带17以及气球16等。本例中的纤维束15为多根纤维丝捆绑而成，根据实际需要选取捆绑纤维丝的数量。

其中，吊舱主体框架由主承力竖杆3、多根主承力斜杆10和多根横杆连接构成。第一连接接头14固定在主承力斜杆10和主承力竖杆3的两端，主承力斜杆10内部的第一连接接头14铰接于主承力竖杆3内部的第一连接接头14的顶部，在主承力竖杆3内部和/或主承力斜杆10内部利用纺锤型纤维束15缠绕的方式将两端的第一连接接头14连接起来，增强结构强度。本例中纺锤型纤维束缠绕方式为：在杆的两端部各缠绕有纤维束，使其两端的横截面较中间部分的横截面更加粗大，形成一种两头粗中间细的结构。

在不同的实施例中，纤维束布置方式可以采用如下：本发明公开了三种增强结构强度的纤维束布置方案：第一种，仅主承力竖杆3由纤维束15缠绕，将其内部两端的第一连接接头14连接起来；第二种，仅主承力斜杆10由纤维束15缠绕，将其内部两端的第一连接接头14连接起来；第三种，主承力竖杆3和主承力斜杆10均由纤维束15缠绕，将各自主承力竖杆3内部和主承力斜杆10内部的两端的第一连接接头14连接起来。当然，第三种情况的结构强度更强，承载能力更大，但根据实际需要，可以采用上述三种方案中的一种进行布置。

主承力斜杆10相对竖直方向倾斜设置，并在顶部交汇，与结缆连接。多根横杆水平设置，与主承力竖杆3连接，横杆的布置具体包括横向和纵向两个方向(简称：横向横杆12和纵向横杆13)。主承力竖杆3、多根主承力斜杆10和多根横杆连接构成吊舱主体框架。具体的，本发明的吊舱结构采用四根主承力竖杆3、四根主承力斜杆10以及至少八根横杆构成长方体的吊舱主体框架。根据实际需要，可以适当调整主承力竖杆3、主承力斜杆10和横杆的数量构成不同形状的吊舱主体框架。进一步地，在底部横杆上设置有多个碳纤维板固定金属件6，用于固定碳纤维板7。

本发明提供的碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法，采用第一连接接头预埋在主承力竖杆内部和主承力斜杆内部的设计，并利用纤维束将第一连接接头连接起来，本发明结构简单轻便，强度高，承载能力好，便于拆卸，耐低温低压。

如图6所示，在其中一个实施例中，还包括三向接头1，三向接头具有第一向接头101、第二向接头102、以及设置在同一直线上的第三向第一接头103和第三向第二接头104，第三向第一接头103连接于主承力竖杆3一端的第一连接接头14，第三向第二接头104铰接于主承力斜杆10一端的第一连接接头14，第一向接头101和第二向接头102分别连接于横向和纵向的布置的横杆(简称：横向横杆12和纵向横杆13)。具体的，三向接头的第一接头101和第三向第二接头102位于第三向的两端，且第一向接头101和第二向接头102分别与第三向第一接头103(或第三向第二接头104)垂直设置，其一端连接主承力竖杆3，另一端铰接于主承力斜杆10，使主承力斜杆10倾斜设置，而第一向接头101和第二向接头102分别连接横向横杆12和纵向横杆13。本实施例通过三向接头1的四个接头将主承力竖杆3、主承力斜杆10和横杆连接起来，构成吊舱主体框架。

如图7和图8所示，在其中一个实施例中，还包括第二连接接头8和第三连接接头9，第二连接接头8的一端连接于三向接头1的第三向第二接头104，第二连接接头8的另一端具有凹槽部，第三连接接头9的一端具有与凹槽部匹配的凸起部，第二连接接头8与第三连接接头9通过匹配的凹槽部和凸起部铰接，第三连接接头9的另一端连接于主承力斜杆10一端的第一连接接头14。本实施例中通过第二连接接头8和第三连接接头9实现主承力斜杆10与三向接头1的第三向第二接头104铰接连接，使主承力斜杆10能够倾斜设置。并通过凹槽部和凸起部的方向设置，限定铰接的方向，将主承力斜杆10的交汇点在吊舱主体框架的中心点位置，而第二连接接头8和第三连接接头9通过销钉连接起来。第二连接接头8和第三连接接头9均可采用钛合金的材质制成。根据实际情况也可以选用其他组件代替本实施例的第二连接接头8和第三连接接头9，实现主承力竖杆3和多根主承力斜杆10之间的铰接连接。

在其中一个实施例中，第二连接接头8的凹槽部构造有第一螺栓孔，第三连接接头9的凸起部构造有与第一螺栓孔相匹配的第二螺栓孔。在本实施例中，第二连接接头8与第三连接接头9之间通过螺栓连接，两者能够以螺栓为中心进行旋转。

在其中一个实施例中，第一连接接头14的一端构造有内螺纹142，另一端为中空结构143，主承力竖杆3一端和/或主承力斜杆10一端的第一连接接头14构造有与内螺纹142相匹配的外螺纹。本实施例中，第一连接接头14与主承力竖杆3通过螺纹连接，实现主承力竖杆3与其他设备可拆卸连接。可以在第一连接接头14与主承力竖杆3水平贯穿有螺栓孔，在第一连接接头14旋入到主承力竖杆3适当位置时，螺栓穿过螺栓孔，实现第一连接接头14稳固固定在主承力竖杆3和/或主承力斜杆10内部。而第一连接接头14另一端的中空结构143，便于与三向接头1、第三连接接头9连接。

在其中一个实施例中，还包括多通接头，多通接头呈圆管状，由碳纤维制成，主承力竖杆3和横杆10通过多通接头胶接连接起来，大大减少金属吊舱螺钉连接数量，采用碳纤维多通接头铰接连接的方式，使结构重量大大降低。具体的，本实施例的横杆和三向接头1通过环氧胶粘剂胶接连接，然后在此胶接连接的基础上通过碳纤维短管二次胶接连接在一起，三向接头1与主承力竖杆3螺栓连接后再通过碳纤维短套管胶接连接在一起，目的是对螺栓连接部件起保护作用。如图1所示，本实施例中的多通接头包括直角四通接头4、“T”字型三通接头5、十字四通接头11。

在其中一个实施例中，主承力斜杆10为碳纤维圆管，且在碳纤维圆管的两端缠绕有纤维束15，其形状类似纺锤型，即两头粗中间细，主承力竖杆3为等截面碳纤维圆管。第一连接接头14由钛合金材质制成，且其端面呈0.1-1.0°的倾斜角。本实施例选用材料密度相较于铝合金减重1/3以上的碳纤维复合材料作为吊舱结构主体材料，实现重载吊舱的轻量化设计。优选地，第一连接接头14的端面角度为0.39°，能够增强拉伸连接强度。

本发明还公开一种如本发明的碳纤维复合材料重载吊舱框架的连接方法，包括：

将第一连接接头分别预埋于主承力竖杆内部的两端和主承力斜杆内部的两端；

利用纤维束勒紧于第一连接接头的凹槽，并将预埋于主承力竖杆内部的两端的第一连接接头连接起来和/或将预埋于主承力斜杆内部的两端的第一连接接头连接起来；

多根主承力竖杆与多根主承力斜杆通过第一连接接头连接，并与多根横杆连接构成吊舱主体框架。

在其中一个工程应用中，第一连接接头的凹槽的宽度和深度根据承载要求和纤维束的粗细进行设计；在预埋钛合金接头纵横凹槽表面采用[±30/±45/90/±45]纤维缠绕方式对其进行补强缠绕，同时在纵横凹槽周向采用[90]缠绕模式对其纤维束进行勒紧操作，并在结束一个循环操作后在凹槽部位注入环氧树脂胶粘剂。具体的，本实施例的正负角取值分别为±30°和±45°，并在第一连接接头的凹槽内形成“8”字型纤维束缠绕形式，周向采用90°铺设角勒紧纵向纤维束，，在缠绕过程中注入环氧胶粘剂的目的是使主承力杆结构的强度大大增强。

本发明提供的碳纤维复合材料重载吊舱框架及连接方法，采用第一连接接头预埋在主承力竖杆内部和主承力斜杆内部的设计，并利用纤维束将第一连接接头连接起来，本发明结构简单轻便，强度高，承载能力好，便于拆卸，耐低温低压。进一步地，由于采用了本发明提出的预埋钛合金第一连接接头连接方法，故整个碳纤维重载吊舱的承载能力比传统胶接连接碳纤维吊舱的承载能力提高了5倍以上，并且吊舱的结构重量通过优化设计得到最大程度的轻量化。根据实验测试结果表明，采用本发明提出的预埋钛合金接头连接方法后，碳纤维轻量化重载吊舱比传统金属吊舱结构减重达40％，承载能力达到10吨量级。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，包括：多根主承力竖杆、多根主承力斜杆和多根横杆，所述主承力竖杆和所述主承力斜杆均为中空结构，且所述主承力竖杆内部和所述主承力斜杆内部的两端均预埋有第一连接接头，所述第一连接接头的外表面构造有横向和纵向的凹槽，所述主承力竖杆和所述主承力斜杆由纤维束缠绕，且所述纤维束张紧缠绕于所述主承力斜杆内部的所述第一连接接头的凹槽，并将所述主承力斜杆两端的所述第一连接接头连接起来，所述纤维束张紧缠绕于所述主承力竖杆内部的所述第一连接接头的凹槽，并将所述主承力竖杆两端的所述第一连接接头连接起来，所述主承力斜杆内部的所述第一连接接头铰接于所述主承力竖杆内部的所述第一连接接头的顶部，并与多根所述横杆连接构成吊舱主体框架。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，还包括三向接头，所述三向接头具有第一向接头、第二向接头、以及设置在同一直线上的第三向第一接头和第三向第二接头，所述第三向第一接头连接于所述主承力竖杆一端的所述第一连接接头，所述第三向第二接头铰接于所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头，所述第一向接头和所述第二向接头分别连接于横向和纵向的布置的所述横杆。

3.如权利要求2所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，还包括第二连接接头和第三连接接头，所述第二连接接头的一端连接于所述三向接头的所述第三向第二接头，所述第二连接接头的另一端具有凹槽部，所述第三连接接头的一端具有与所述凹槽部匹配的凸起部，所述第二连接接头与所述第三连接接头通过匹配的所述凹槽部和凸起部铰接，所述第三连接接头的另一端连接于所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头。

4.如权利要求3所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，所述第二连接接头的所述凹槽部构造有第一螺栓孔，所述第三连接接头的所述凸起部构造有与所述第一螺栓孔相匹配的第二螺栓孔。

5.如权利要求3所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，所述第一连接接头的一端构造有内螺纹，另一端为中空结构，所述主承力竖杆一端和/或所述主承力斜杆一端的所述第一连接接头构造有与所述内螺纹相匹配的外螺纹。

6.如权利要求1所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，还包括多通接头，所述多通接头呈圆管状，由碳纤维制成，所述主承力竖杆和所述横杆通过所述多通接头胶接连接起来。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，所述主承力斜杆为碳纤维圆管，且在所述碳纤维圆管的两端缠绕有所述纤维束，所述主承力竖杆为等截面碳纤维圆管。

8.如权利要求1-6中任意一项所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架，其特征在于，所述第一连接接头由钛合金材质制成，且其端面呈0.1-1.0°的倾斜角。

9.一种如权利要求1-8中任意一项所述的碳纤维复合材料重载吊舱框架的连接方法，其特征在于，包括：

将第一连接接头分别预埋于主承力竖杆内部的两端和主承力斜杆内部的两端；

利用纤维束勒紧于第一连接接头的凹槽，并将预埋于主承力竖杆内部的两端的第一连接接头连接起来和/或将预埋于主承力斜杆内部的两端的第一连接接头连接起来；

多根主承力竖杆与多根主承力斜杆通过第一连接接头连接，并与多根横杆连接构成吊舱主体框架。

10.如权利要求9所述的连接方法，其特征在于，第一连接接头的凹槽的宽度和深度根据承载要求和纤维束的粗细进行设计；采用正负角纤维铺设方式对第一连接接头进行纤维束缠绕，同时周向勒紧纤维束，并在缠绕过程中注入环氧树脂胶粘剂。