CN109533266B - 一种分体式弱关联模块化浮空平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分体式弱关联模块化浮空平台，所述浮空平台包含恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块、升力平衡控制单元模块和模块之间弱关联结构，其中：所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元构成；所述升力平衡控制单元模块由多个升力平衡控制单元构成，升力平衡控制单元的数量与恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元的数量相等；所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接。本发明的浮空平台兼具自适应特性和刚度支撑特性，极大地提高了当前浮空器的服役稳定性、可靠性和服役时间，从而实现长久驻空、稳定驻空的目标。
Description
技术领域
本发明属于浮空技术领域，涉及一种用于分体式弱关联模块化浮空平台。
背景技术
浮空器不仅在生产生活中具有广泛的使用价值，如代替卫星提供定点驻空作业、作为应急通讯站检测森林火势险情、大气监测等，而且在军事上也拥有广泛的应用前景，如布置空中飘雷阻退进犯来敌等。然而现有浮空器所采用的大容积冲压维形技术使得产品质量控制难度大、工业生产标准化、规模化困难；而且大型囊体压力控制不易且受到外界环境影响明显，从而使得大型囊体的稳定性和安全性降低。随着生产生活、军事应用需求的提高，具备长久驻空能力，兼具防空驻空与结构承载能力的浮空器成为目前发展的需求。然而，现有设计范式无法满足这些需求，其成本和质量控制也无法行之有效的实施。为了解决和实现高效稳定驻空和快速部署响应，更需要进行相应产品的研发与设计。
发明内容
本发明为了解决现有浮空器存在的上述问题，提供了一种分体式弱关联模块化浮空平台。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种分体式弱关联模块化浮空平台，包含恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块、升力平衡控制单元模块和模块之间弱关联结构，其中：
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元构成，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接；
所述升力平衡控制单元模块由多个升力平衡控制单元构成，升力平衡控制单元的数量与恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元的数量相等，相邻升力平衡控制单元之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接；
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元包括立方框架、内部支撑骨架、气阀、弹性蒙皮；所述立方框架的每个面均覆盖弹性蒙皮密封；所述气阀设置在弹性蒙皮边缘区域；所述内部支撑骨架设置在立方框架的内部且与每个面的弹性蒙皮中心区域相交，形成镂空的半弹性蒙皮；
所述升力控制平衡单元包含轻质刚性立方密闭外壳、球形可膨胀式气囊、内气阀、外气阀；所述轻质刚性立方密闭外壳的内部设置有球形可膨胀式气囊，球形可膨胀式气囊的一端与轻质刚性立方密闭外壳的一个面的内侧密闭粘接并在该处设有一内气阀；所述轻质刚性立方密闭外壳的靠外区域设置外气阀，外气阀与内气阀设置在轻质刚性立方密闭外壳的同一面上；
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块交替设置，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的浮空平台包含多个充气闭孔微结构浮空材料单元和多个升力平衡控制单元，各个单元、模块之间采用弱关联结构连接；各个单元、模块均在产品制作中可以实现工业化、标准化、规模化生产，在产品质量控制、参数化控制、制作规模化上具有极大地优势；
2、根据实际工况中需要部署恒升力单元和升力控制单元并进行相应的协调安排，可以实现浮空平台的持久续航和便捷灵敏特性；
3、根据不同的服役条件，定向的产品制作和大规模组装可以大幅度提高空间飞行器的应急响应效率；
4、由于本发明的浮空平台兼具自适应特性和刚度支撑特性，所以其单个单元、模块的压差维形难度小，整体的结构稳定性提高并由于传统浮空器，对外界环境变化不敏感，极大地提高了当前浮空器的服役稳定性、可靠性和服役时间，从而实现长久驻空、稳定驻空的目标。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是一个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元在地面的状态示意图；
图3是一个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元在工作状态下的示意图；
图4是一个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元的爆炸分解示意图；
图5是一个升力平衡控制单元的外部结构示意图；
图6 是一个升力平衡控制单元的透视结构示意图；
图7是一个升力平衡控制单元的爆炸分解示意图；
图8是模块之间弱关联示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：参照图1至图8，本实施方式的分体式弱关联模块化浮空平台由恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块、升力平衡控制单元模块和模块之间弱关联结构构成，其中：
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个横向排列的恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1构成，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1之间通过模块之间弱关联结构3进行布置连接。所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1由立方框架1-1、内部支撑骨架1-2、气阀1-3、弹性蒙皮1-4构成；立方框架1-1的每个面均覆盖弹性蒙皮1-4密封，弹性蒙皮1-4与立方框架1-1热合粘接以保持材料单元的密闭性；内部支撑骨架1-2设置在立方框架1-1的内部且与每个面的弹性蒙皮1-4相交，内部支撑骨架1-2为螺旋24面体，弹性蒙皮1-4与内部支撑骨架1-2的正弦形状相交区域热合粘接，形成镂空的半弹性蒙皮，这样在立方框架1-1的协助下弹性蒙皮1-4既可以弹性变形又可以提供较大的结构刚度；气阀1-3设置在弹性蒙皮1-4边缘区域，由于内部支撑骨架1-2的隔离作用，冲入气阀1-3的气体可以游走于内部支撑骨架1-2与弹性蒙皮1-4之中；在以弹性蒙皮1-4密闭的空间中冲入氦气，即先抽真空在冲氦气，冲入体积为标准大气压下小于材料单元的内部体积；在地面标准大气压充气状态时，该材料单元的弹性蒙皮1-4是内缩的，随着高度上升气压逐渐降低，该材料单元膨胀，至工作高度时弹性蒙皮1-4变为平面，实现自动调节；单元通过氦气来提供升力。另外多个材料单元的关联使用不会对彼此产生影响。
所述升力平衡控制单元模块由横向排列的多个升力平衡控制单元2构成，升力平衡控制单元2的数量与恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1的数量相等，相邻升力平衡控制单元2之间通过模块之间弱关联结构3进行布置连接。所述升力控制平衡单元2由轻质刚性立方密闭外壳2-1、球形可膨胀式气囊2-2、内气阀2-3、外气阀2-4构成；轻质刚性立方密闭外壳2-1的内部设置有球形可膨胀式气囊2-2，球形可膨胀式气囊2-2包含若干小气囊，球形可膨胀式气囊2-2的一端与轻质刚性立方密闭外壳2-1的一个面的内侧密闭粘接并在该处设有一内气阀2-3，内气阀2-3与充气系统连接用来控制球形可膨胀式气囊2-2的体积膨胀，充气控制系统至少包含气泵和太阳能电池，并且与内气阀2-3连接；球形可膨胀式气囊2-2的容积至少占据轻质刚性立方密闭外壳2-1所围成容积的30%；在轻质刚性立方密闭外壳2-1的靠外区域设置外气阀2-4来充入氦气，即先抽真空在冲氦气，冲入体积为标准大气压下占轻质刚性立方密闭外壳2-1所围成体积的60~70%，最大体积即为球形可膨胀式气囊2-2完全真空收缩状态的体积，通过对球形可膨胀式气囊2-2内充入或排除气体来控制升力的大小与平衡。
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块纵向交替设置，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接。
本实施方式中，所述立方框架1-1和内部支撑骨架1-2采用碳纤维材料、轻质合金材料、形状记忆合金材料中的一种制成。
本实施方式中，所述弹性蒙皮1-4和球形可膨胀式气囊2-2采用线性低密度聚合物材料、智能材料、先进功能材料中的一种制成。
本实施方式中，所述内部支撑骨架1-2采用的是一种极小曲面结构，例如名为Gyroid surface的极小曲面（螺旋24面体）。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个纵向排列的恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1构成；所述升力平衡控制单元模块由纵向排列的多个升力平衡控制单元2构成；所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块横向交替设置。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1构成；所述升力平衡控制单元模块由多个升力平衡控制单元2构成，恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元1和升力平衡控制单元2横向和纵向依次交替设置。
Claims (10)
1.一种分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述浮空平台包含恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块、升力平衡控制单元模块和模块之间弱关联结构，其中：
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块由多个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元构成，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接；
所述升力平衡控制单元模块由多个升力平衡控制单元构成，升力平衡控制单元的数量与恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元的数量相等，相邻升力平衡控制单元之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接；
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元包括立方框架、内部支撑骨架、气阀、弹性蒙皮；所述立方框架的每个面均覆盖弹性蒙皮密封；所述气阀设置在弹性蒙皮边缘区域；所述内部支撑骨架设置在立方框架的内部且与每个面的弹性蒙皮相交，内部支撑骨架为螺旋面体，弹性蒙皮与内部支撑骨架的正弦形状相交区域热合粘接，形成镂空的半弹性蒙皮，由于内部支撑骨架的隔离作用，冲入气阀的气体可以游走于内部支撑骨架与弹性蒙皮之中；
所述升力平衡控制单元包含轻质刚性立方密闭外壳、球形可膨胀式气囊、内气阀、外气阀；所述轻质刚性立方密闭外壳的内部设置有球形可膨胀式气囊，球形可膨胀式气囊的一端与轻质刚性立方密闭外壳的一个面的内侧密闭粘接并在该处设有一内气阀；所述轻质刚性立方密闭外壳的靠外区域设置外气阀，外气阀与内气阀设置在轻质刚性立方密闭外壳的同一面上；
所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块交替设置，相邻恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块之间通过模块之间弱关联结构进行布置连接。
2.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述多个恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元之间横向或纵向排列；多个升力平衡控制单元之间横向或纵向排列；恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元模块与升力平衡控制单元模块纵向或横向交替设置。
3.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述恒升力充气闭孔微结构浮空材料单元和升力平衡控制单元横向和纵向依次交替设置。
4.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述立方框架采用碳纤维材料、轻质合金材料或形状记忆合金材料制成。
5.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述内部支撑骨架采用碳纤维材料、轻质合金材料或形状记忆合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述弹性蒙皮采用线性低密度聚合物材料、智能材料或功能材料制成。
7.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述球形可膨胀式气囊采用线性低密度聚合物材料、智能材料或功能材料制成。
8.根据权利要求1或7所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述球形可膨胀式气囊的容积至少占据轻质刚性立方密闭外壳所围成容积的30%。
9.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述升力平衡控制单元内氦气充入体积为标准大气压下轻质刚性立方密闭外壳所围成体积的60~70%。
10.根据权利要求1所述的分体式弱关联模块化浮空平台，其特征在于所述内气阀与充气控制系统连接，充气控制系统至少包含气泵和太阳能电池。
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2018
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