CN109693778A - 一种平流层飞艇 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞艇技术领域，提供一种平流层飞艇，所述平流层飞艇包括：硬式框架，形成在艇体表面；以及动力系统支架，所述动力系统支架包括斜支底撑架和支撑树立杆，其中：斜支底撑架搭接在硬式框架上，用于支撑支撑树立杆；以及支撑树立杆用于安装动力系统。本发明通过在硬式框架上搭接动力系统支架，克服了在平流层飞艇底部吊舱安装动力系统支架易产生波浪运动的缺点，使平流层飞艇水平飞行的波浪运动趋势得到抑制，从而减少底部吊舱阻力，减少动力耗能。同时，通过多根斜拉张紧绳索的拉力使支撑树立杆更加稳定。此外，通过利用刚性加强环和杆件构成的硬式框架，提高飞艇的抗超压能力。
Description
技术领域
本发明涉及飞艇技术领域，具体涉及一种平流层飞艇。
背景技术
在平流层环境下由于太阳辐射的影响平流层飞艇存在超温超压的现象，对于平流层飞艇的系统总体设计提出了极高的要求。根据平流层飞艇有限元热仿真计算现有软式结构的平流层飞艇热平衡温差大于平流层飞艇的抗热能力，容易出现安全系数小于1的现象。这个结果对平流层飞艇的研制可能会产生颠覆性的影响。解决平流层飞艇超温超压问题是目前研制平流层飞艇迫切需要解决的问题之一。
具体来说：1、超温超压是指平流层飞艇在工作高度受太阳辐射后内部气体温度升高造成气体膨胀形成的艇内外压差超过飞艇设计范围的现象。2、热平衡温差是指采用有限元热分析软件仿真计算出平流层飞艇受太阳能辐射后全艇最高均值温度与夜间全艇最低均值温度的差值。3、抗热能力是指平流层飞艇在工作高度经太阳辐射以后平流层飞艇囊体强度能够忍受飞艇内气体平均温升的极限值。4、三个平衡是指平流层系统总体顶层设计时采用的能量平衡、热平衡、重量平衡，这三个平衡相互耦合：能量平衡是指平流层飞艇在工作高度和工作地域昼夜之间的太阳能电池发电量以及蓄电池蓄电总量必须满足平流层飞艇昼夜之间抗风所需电量和飞艇系统用电以及任务系统用电的总电量；热平衡是指平流层飞艇在工作高度受太阳辐射后内部气体温度升高造成内部气体膨胀形成的艇内外气压差不能超过飞艇设计的耐压范围；重量平衡是指平流层飞艇在工作高度排开的空气质量等于平流层飞艇质量与艇内气体质量。
而目前在研的平流层飞艇一般采用软式结构并以外气囊存储氦气、内气囊存储空气的方式，为了解决平流层飞艇超热超压问题，需要通过加强囊体材料抗拉伸能力来代偿，带来囊体材料超重以及成本增加问题。
同时，一般的中低空飞艇都是将吊舱放在底部，并且采用将动力系统支架安装在吊舱上的方法。这种方法将发动机支架放置在向下距离飞艇浮心过大处，由于布局不合理严重影响了飞艇推进系统效率；同时力矩的影响在飞艇水平飞行时易出现上下起伏的波浪式飞行状态，这种波浪式飞行状态相对于水平飞行的平流层飞艇需要付出更多的能量。且由于底部吊舱突出，加大了飞艇阻力系数，也进一步使飞艇需要付出更多的能量。
在平流层软式飞艇总体设计方面美国洛克希德马丁公司采用了软式飞艇安装两侧发动机支架的方法。具体来说是将底托将竖立杆立于具有气体刚性的软式飞艇外表面。然后通过外置布帘拉出紧固钢丝分为多个方向拉紧竖立杆，竖立杆顶部连接动力系统安装平台，将动力系统安装在安装平台上。但这种方法必须建立在平流层飞艇内外压差较大使飞艇外囊体达到一定的气弹性刚度才能实行。且外置布帘致使平流层飞艇的阻力系数增大。
因此，设计一种新型结构的平流层飞艇是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种平流层飞艇，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一示例实施方式，公开一种平流层飞艇，所述平流层飞艇包括：
硬式框架，形成在艇体表面；以及
动力系统支架，所述动力系统支架包括斜支底撑架和支撑树立杆，其中
斜支底撑架搭接在硬式框架上，用于支撑支撑树立杆；以及
支撑树立杆用于安装动力系统。
根据本发明的一示例实施方式，其中支撑树立杆顶端与动力系统固定平台链接。
根据本发明的一示例实施方式，其中动力系统安装在动力系统固定平台上。
根据本发明的一示例实施方式，其中动力系统包括桨叶和电机。
根据本发明的一示例实施方式，所述动力系统支架还包括多根斜拉张紧绳索，任一斜拉张紧绳索的两端分别与硬式框架和支撑树立杆绑定。
根据本发明的一示例实施方式，其中斜拉张紧绳索包括张紧钢丝。
根据本发明的一示例实施方式，其中所述动力系统支架的数量为偶数个，分别位于平流层飞艇的两侧。
根据本发明的一示例实施方式，其中所述动力系统支架位于平流层飞艇的尾部。
根据本发明的一示例实施方式，其中硬式框架位于艇体表面的整体或者局部。
根据本发明的一示例实施方式，其中硬式框架由加强环和杆件构成。
根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括：内气囊，内气囊中充有氦气；以及包围内气囊的外气囊，外气囊的囊体和内气囊的囊体之间的空间中充有空气，其中硬式框架形成在外气囊的外表面。
根据本发明的一示例实施方式，其中内气囊由多个沿飞艇轴向依次排布的舱室内气囊构成。
根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括无尾舵尾翼和航向尾浆。
根据本发明的一些实施方式，通过在硬式框架上搭接动力系统支架，克服了在平流层飞艇底部吊舱安装动力系统支架造成推进系统布局不合理易产生波浪运动的缺点，使平流层飞艇水平飞行的波浪运动趋势得到抑制，从而减少底部吊舱阻力，减少动力耗能。
根据本发明的一些实施方式，通过多根斜拉张紧绳索的拉力使支撑树立杆更加稳定。
根据本发明的另一些实施方式，通过利用刚性加强环和杆件构成的硬式框架、绳索以及高强度外气囊囊体材料等组成的刚柔混合结构，提高外气囊的抗超压能力。
根据本发明的又一些实施方式，通过零压超压外气囊、氦气囊内置分舱的囊体设计方案，提高囊体材料强度的利用率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架的三维立体图。
图2示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架在平流层飞艇上安装位置的正视图。
图3示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架在平流层飞艇上安装位置的侧视图。
图4示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的侧视透视视图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本发明概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的，因此不能用于限制本发明的保护范围。
本发明的目的在于公开一种新型结构的平流层飞艇，所述平流层飞艇包括：硬式框架，形成在艇体表面；以及动力系统支架，所述动力系统支架包括斜支底撑架和支撑树立杆，其中：斜支底撑架搭接在硬式框架上，用于支撑支撑树立杆；以及支撑树立杆用于安装动力系统。本发明通过在硬式框架上搭接动力系统支架，克服了在平流层飞艇底部吊舱安装动力系统支架易产生波浪运动的缺点，使平流层飞艇水平飞行的波浪运动趋势得到抑制，从而减少由于底部吊舱阻力，减少动力耗能。同时，通过多根斜拉张紧绳索的拉力使支撑树立杆更加稳定。此外，通过利用刚性加强环和杆件构成的硬式框架，提高飞艇外囊的抗超压能力。进一步的，通过零压超压外气囊、氦气囊内置分舱的囊体设计方案，提高囊体材料强度的利用率。
下面结合附图对本发明的平流层飞艇的动力系统支架进行具体说明，其中，图1示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架的三维立体图；图2示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架在平流层飞艇上安装位置的正视图；图3示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的动力系统支架在平流层飞艇上安装位置的侧视图；图4示出根据本发明一示例实施方式的平流层飞艇的正视透视视图。
如图1-3所示，平流层飞艇包括：硬式框架6，形成在艇体表面；以及动力系统支架，所述动力系统支架包括斜支底撑架1和支撑树立杆2，其中：斜支底撑架1搭接在硬式框架6上，用于支撑支撑树立杆2；以及支撑树立杆2用于安装动力系统。本发明通过在硬式框架上搭接动力系统支架，克服了在平流层飞艇底部吊舱安装动力系统支架易产生波浪运动的缺点，使平流层飞艇水平飞行的波浪运动趋势得到抑制，从而减少底部吊舱阻力，减少动力耗能。
根据本发明的一示例实施方式，其中支撑树立杆2顶端与动力系统固定平台7链接。
根据本发明的一示例实施方式，其中动力系统安装在动力系统固定平台7上。
根据本发明的一示例实施方式，其中动力系统包括桨叶3和电机4。但本发明不限于此，也可以是其他类型的动力系统。
根据本发明的一示例实施方式，所述动力系统支架还包括多根斜拉张紧绳索5，任一斜拉张紧绳索的两端分别与硬式框架和支撑树立杆绑定/固定。通过多根斜拉张紧绳索的拉力使支撑树立杆更加稳定。
根据本发明的一示例实施方式，其中斜拉张紧绳索5包括张紧钢丝，也可以根据需要而定，并无任何限制，比如可以是由其他弹性金属丝或碳纤维构成的同时具有高强度和一定弹性的绳索。
同时，靠近桨叶的张紧钢丝向两边斜拉开，以避免桨叶和张紧钢丝的运动干涉。
根据本发明的一示例实施方式，其中所述动力系统支架的数量为偶数个(如可为2、4或6…个等)，分别位于平流层飞艇的两侧。
根据本发明的一示例实施方式，其中所述动力系统支架位于平流层飞艇的尾部。
也就是说，可以根据平流层飞艇的具体推进方式/动力系统布置方式将动力系统支架设置于平流层飞艇的两侧、平流层飞艇的尾部或者同时设置于平流层飞艇的两侧和尾部。
根据本发明的一示例实施方式，其中硬式框架位于艇体表面的整体或者局部。也就是说，本发明的动力系统支架并不局限于仅应用在硬式平流层飞艇(艇体表面的整体均具有硬式框架的平流层飞艇)上，在软式平流层飞艇上也能布置局部硬式外框架(比如仅环绕某一段艇身的环形硬式外框架，而不必是包围或环绕整个艇身的硬式外框架)，利用局部硬式外框架结构的刚性安装动力系统支架。
根据本发明的一示例实施方式，其中硬式框架6由加强环61和杆件62构成。通过利用刚性加强环和杆件构成的硬式框架，能够提高飞艇的抗超压能力。
根据本发明的一示例实施方式，其中加强环61可刚性材料构成。具体来说，加强环可选择由具有一定刚性和弹性而重量又较轻的材料构成。
根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括：内气囊9，内气囊中充有氦气；以及包围内气囊的外气囊8，外气囊的囊体和内气囊的囊体之间的空间中充有空气，其中外气囊的囊体的外表面形成所述硬式平流层飞艇的表面，且硬式框架6形成在外气囊的外表面。
本发明的外气囊存储氦气、内气囊存储空气的气囊布局方式的平流层飞艇的动力系统支架结构由于外气囊的囊体去除了传统的平流层飞艇所必需的防氦气泄漏功能层和增强受力层，因此在同等外气囊囊体材料面密度情况下外气囊囊体材料的强度得到提高。
进一步的，硬式框架6中的多个加强环61环绕外气囊8外表面设置或者说套在外气囊外表面，从而进一步提高了外气囊的抗超压能力。
由以上的示例实施方式可以看到，本发明的平流层飞艇的动力系统支架利用刚性加强环和杆件构成的框架以及高强度外囊材料等组成的刚柔混合结构，提高了外气囊的抗超压能力。
根据本发明的一示例实施方式，其中内气囊9由多个沿飞艇轴向依次排布的舱室内气囊10构成。
根据本发明的一示例实施方式，其中尾部
根据本发明的一示例实施方式，相邻两个舱室内气囊之间由加强环维系的隔离绳索13(如图4所示)隔离。
根据本发明的一示例实施方式，其中内气囊的囊体包括防氦气泄漏功能层(未图示)。
根据本发明的一示例实施方式，其中外气囊的囊体不包括防氦气泄漏功能层，从而降低了成本和重量。
根据本发明的一示例实施方式，其中外气囊为零压超压外气囊。
由以上的示例实施方式可以看到，本发明的平流层飞艇的动力系统支架通过零压超压外气囊、氦气囊内置分舱的囊体设计方案，提高囊体材料强度的利用率。同时也进一步提高了平流层飞艇的动力系统支架的整体安全性、可靠性和损管能力。
对本发明的平流层飞艇的囊体结构进行的安全性评估结果表明：
1、在超热情况下可满足超热超压的要求。
2、增加了加强环和绳索约束，对囊体材料的要求降低。
结论：本发明的平流层飞艇的动力系统支架方案的超热超压应对策略有效，且同时降低了重量和成本。
根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括无尾舵尾翼11和航向尾浆12，其中航向尾浆12用来改变飞艇的航向。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的平流层飞艇具有以下优点中的一个或多个。
根据本发明的一些实施方式，通过在硬式框架上搭接动力系统支架，克服了在平流层飞艇底部吊舱安装动力系统支架造成推进系统布局不合理易产生波浪运动的缺点，使平流层飞艇水平飞行的波浪运动趋势得到抑制，从而减少底部吊舱阻力，减少动力耗能。
根据本发明的一些实施方式，通过多根斜拉张紧绳索的拉力使支撑树立杆更加稳定。
根据本发明的另一些实施方式，通过利用刚性加强环和杆件构成的硬式框架、绳索以及高强度外气囊囊体材料等组成的刚柔混合结构，提高外气囊的抗超压能力。
根据本发明的又一些实施方式，通过零压超压外气囊、氦气囊内置分舱的囊体设计方案，提高囊体材料强度的利用率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由提出的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (13)
1.一种平流层飞艇，其特征在于，所述平流层飞艇包括：
硬式框架，形成在艇体表面；以及
动力系统支架，所述动力系统支架包括斜支底撑架和支撑树立杆，其中
斜支底撑架搭接在硬式框架上，用于支撑支撑树立杆；以及
支撑树立杆用于安装动力系统。
2.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，其中支撑树立杆顶端与电机固定平台链接。
3.根据权利要求2所述的平流层飞艇，其特征在于，其中动力系统安装在电机固定平台上。
4.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，其中动力系统包括桨叶和电机。
5.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括多根斜拉张紧绳索，任一斜拉张紧绳索的两端分别与硬式框架和支撑树立杆绑定。
6.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，其中斜拉张紧绳索包括张紧钢丝。
7.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，其中所述动力系统支架的数量为偶数个，分别位于平流层飞艇的两侧。
8.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，其中所述动力系统支架位于平流层飞艇的尾部。
9.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，其中硬式框架位于艇体表面的局部。
10.根据权利要求1或9所述的平流层飞艇，其特征在于，其中硬式框架由加强环和杆件构成。
11.根据权利要求1或9所述的平流层飞艇，还包括：
内气囊，内气囊中充有氦气；以及
包围内气囊的外气囊，外气囊的囊体和内气囊的囊体之间的空间中充有空气，其中硬式框架形成在外气囊的外表面。
12.根据权利要求11所述的平流层飞艇，其特征在于，其中内气囊由多个沿飞艇轴向依次排布的舱室内气囊构成。
13.根据权利要求1-3中任一所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括无尾舵尾翼和航向尾浆。
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