CN110015396A - 一种大尺度半刚性结构飞艇 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺度半刚性结构飞艇，涉及浮空飞行器技术领域，包括艇身、矢量侧推、矢量尾推、X型充气尾翼、气垫、吊舱；所述艇身包括预张力囊体、张拉整体龙骨；所述预张力囊体预张紧套设在所述张拉整体龙骨外表面；所述矢量侧推设置在所述艇身的侧下方；所述矢量尾推设置在所述艇身的尾部；所述X型充气尾翼呈X形布置在所述艇身的尾部；所述气垫设置在所述艇身的下部；所述吊舱设置在所述艇身的下部。本发明的飞艇采用拉压自平衡体系的整体龙骨与预张力囊体集成协同受力的结构，具有囊体零压下的整体保形、低压下的整体刚度与高承载、载荷布置灵活和传递高效的特点。
Description
技术领域
本发明涉及浮空飞行器技术领域，尤其涉及一种大尺度半刚性结构飞艇。
背景技术
浮空飞行器是利用轻于空气(Lighter-Than-Air,LTA)原理，具有动力控制、可操纵机动的飞行器，曾有辉煌历史，但后被喷气飞机替代。随新材料、动力、能源、计算机等技术发展，飞艇特殊的工作原理及飞行特性，在一些特定的应用领域得到了关注和发展。
飞艇结构常分为软式、硬式、半硬式，由于结构体系不同，飞艇呈现不同的结构特性与飞行特征，且具有不同的应用。软式飞艇重量轻，刚度低，载荷非均匀承载能力低。刚性飞艇重量大，刚度大，承载大，但需要尺度大、成本高、操控难。半硬式飞艇结合两者的优点，是新型飞艇结构创新活跃的形式，结合具体应用需求构建适宜的结构体系。
Steve Smith等著“HiSentinel80:Flight of a High Altitude Airship”(11thAIAA ATIO，20-22September 2011,Virginia Beach,VA，AIAA 2011-6973)介绍了平流层飞艇的一类典型体系，高空哨兵飞艇，采用全柔性结构体系，但由于非饱和形态导致气动特性复杂，轨迹难以预测控制。
Stavros P.Androulakakis等著“Status and Plans of High Altitude Airship(HAATM)Program”(AIAA Lighter-Than-Air Systems Technology(LTA)Conference，25-28March2013,Daytona Beach,Florida，AIAA2013-1362)介绍了平流层飞艇的另外一类典型体系，采用稳定外形，通过浮力控制实现飞艇的升空，并介绍了验证飞艇方案，及飞行试验，但是，验证飞行并未实现平流层飞行，难点在于升空和保形返回需要吸入和排出巨量空气实现净浮力平衡，从而须要配置大量设备，由此导致能源剧增，从而增加系统重量与控制复杂性。
陈务军等著“可变构型浮空飞行器”(CN335-11221PIX)提出一种可变构型浮空飞行器，在升空和返回过程对形态变化进行主动控制，从而实现大形态变化控制，但是，该可变构型浮空飞行器的实施控制困难，非确定形态囊体结构受力及安全性设计困难。
付功义等著“大体型飞艇的刚性结构体系”(CN201521080600.X)提出一种刚性结构体系飞艇，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构，预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成。但是，该结构的加劲环管刚度低、稳定性很差，通长的中芯轴从头至尾，分别穿过加劲环轴，导致中芯轴受较大压弯作用力，容易失稳，承载力低，安装不便，难以形成整体可行预张力；囊体与结构体系难以协同受力，整体结构效率低。
王飞，王伟志著“半硬式平流层飞艇龙骨结构设计与有限元分析”(航天返回与遥感，2011，32(4)：14-23.)提出一种半刚性体系，该飞艇结构体系中刚性结构未成自承力体系，须与囊体一起，整体性差，且刚柔难以协同工作；环形框的刚度和承载力低；主纵梁受压弯较大，环形框约束弱，受力复杂，传力不清楚，其稳定和承载力低。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种大尺度半刚性结构飞艇，该飞艇具有较低气动阻尼，采用模块化与标准化设计，易于制造和集成，成本低；具有囊体零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载，具有灵活的载荷布置与高效传递，整体控制难度低的优点。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有较低气动阻尼，载荷分布合理且传递效率高，零压下整体保形好，低压下整体刚度与承载能力高，易于制造和集成，制造、使用和维护成本低的飞艇。
为实现上述目的，本发明提供了一种大尺度半刚性结构飞艇，包括艇身、矢量侧推、矢量尾推、X型充气尾翼、气垫、吊舱；所述艇身包括预张力囊体、张拉整体龙骨；所述预张力囊体预张紧套设在所述张拉整体龙骨外表面；所述矢量侧推设置在所述艇身的侧下方；所述矢量尾推设置在所述艇身的尾部；所述X型充气尾翼呈X形布置在所述艇身的尾部；所述气垫设置在所述艇身的下部；所述吊舱设置在所述艇身的下部。
进一步地，所述张拉整体龙骨包括加劲环、纵拉杆、梭形桁架芯轴，所述加劲环呈轮毂状，所述加劲环包括环向三角形桁架、径向拉杆、纺锤形薄壁管轴毂；所述环向三角形桁架设置在所述加劲环的外圆周上，所述环向三角形桁架为整圆形结构，所述纺锤形薄壁管轴毂设置在所述加劲环的中心处，所述纺锤形薄壁管轴毂的中心轴线、所述加劲环的中心轴线和所述张拉整体龙骨的中心轴线重合，所述径向拉杆连接所述环向三角形桁架的内环和所述纺锤形薄壁管轴毂，所述径向拉杆在所述加劲环的圆周方向均匀布置，所述径向拉杆沿所述加劲环的中心面对称双层布置，所述环向三角形桁架、所述径向拉杆和所述纺锤形薄壁管轴毂形成自平衡力系；所述梭形桁架芯轴设置在所述张拉整体龙骨的中心轴线上；所述纵拉杆设置在所述环向三角形桁架的外环上；所述加劲环、所述纵拉杆和所述梭形桁架芯轴组成拉压自平衡体系。
进一步地，所述张拉整体龙骨包含多个所述加劲环，所述加劲环平行设置，设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环在所述张拉整体龙骨的中心轴线上等距布置，设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环的直径相等且大于设置于所述张拉整体龙骨头、尾两侧的所述加劲环的直径；设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环的数量大于等于5且小于等于8。
进一步地，所述张拉整体龙骨包含多段所述梭形桁架芯轴，所述梭形桁架芯轴依次连接所述艇身的艇首头锥、各个所述加劲环的所述纺锤形薄壁管轴毂、所述艇身的艇尾尾锥，形成从所述艇身的艇首至艇尾的芯轴。
进一步地，所述纵拉杆依次连接所述艇身的艇首头锥、各个所述加劲环的所述环向三角形桁架、所述艇身的艇尾尾锥；所述纵拉杆在所述环向三角形桁架的圆周方向均匀设置，所述纵拉杆与所述径向拉杆一一对应。
进一步地，所述预张力囊体为组合几何体，所述预张力囊体的头部为半球形，所述预张力囊体的中部为圆柱形，所述预张力囊体的尾部为圆锥形。
进一步地，所述气垫为双层多气室结构，所述气垫的支承结构与所述环向三角形桁架的下部连接，所述气垫在所述艇身的头尾方向均匀设置2组或3组，每组所述气垫在所述艇身的左右方向对称布置。
进一步地，所述X型充气尾翼的支承结构与所述环向三角形桁架的连接；所述矢量尾推为全向矢量转动，所述矢量尾推的支承结构与所述梭形桁架芯轴连接。
进一步地，所述矢量侧推为俯仰矢量转动，所述矢量侧推的数量为4，分别设置于所述艇身的头部和尾部的所述加劲环的±120°处；所述吊舱为分布式结构，所述吊舱的支承结构吊挂连接于2个或3个所述加劲环上。
进一步地，还包括太阳能电池阵，所述太阳能电池阵的电池为半柔性单晶电池，所述太阳能电池阵模块化嵌连于所述预张力囊体上部。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的技术效果：
1、本发明的大尺度半刚性结构飞艇，采用模块化与标准化设计，易于制造和集成，成本低。
2、本发明的大尺度半刚性结构飞艇，具有较低气动阻尼的气动外形，预张力囊体具有零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载形。
3、本发明的大尺度半刚性结构飞艇，具有灵活的载荷布置与高效传递，整体控制难度低。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的三维透视图；
图2是本发明的一个较佳实施例的三维图；
图3是本发明的一个较佳实施例的张拉整体龙骨三维图；
图4是本发明的一个较佳实施例的加劲环三维图。
其中，其中，1-预张力囊体；2-张拉整体龙骨；3-矢量侧推；4-矢量尾推；5-X型充气尾翼；6-气垫；7-吊舱；8-太阳能电池阵；201-加劲环、202-纵拉杆、203-梭形桁架芯轴、204-艇首头锥、205-艇尾尾锥；20101-环向三角形桁架、20102-径向拉杆、20103-纺锤形薄壁管轴毂；2010101-环向三角形桁架外环；2010102-环向三角形桁架内环。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1和图2所示，本实施例公开了一种大尺度半刚性结构飞艇，包括艇身、矢量侧推3、矢量尾推4、X型充气尾翼5、气垫6、吊舱7、太阳能电池阵8；艇身包括预张力囊体1、张拉整体龙骨2；预张力囊体1预张紧套设在张拉整体龙骨2外表面。
如图4所示，张拉整体龙骨2包括加劲环201、纵拉杆202、梭形桁架芯轴203，加劲环201呈轮毂状，加劲环201包括环向三角形桁架20101、径向拉杆20102、纺锤形薄壁管轴毂20103；环向三角形桁架20101设置在加劲环201的外圆周上，环向三角形桁架20101为整圆形结构，纺锤形薄壁管轴毂20103设置在环向三角形桁架20101的中心处，纺锤形薄壁管轴毂20103的中心轴线、加劲环201的中心轴线和张拉整体龙骨2的中心轴线重合，径向拉杆20102连接环向三角形桁架内环2010102和纺锤形薄壁管轴毂20103，径向拉杆20102在加劲环201的圆周方向均匀布置，径向拉杆20102沿加劲环201的中心面对称双层布置，环向三角形桁架20101、径向拉杆20102和纺锤形薄壁管轴毂20103形成自平衡力系；梭形桁架芯轴203设置在张拉整体龙骨2的中心轴线上；纵拉杆202设置在环向三角形桁架外环2010101上；加劲环201、纵拉杆202和梭形桁架芯轴203组成拉压自平衡体系。
如图3所示，张拉整体龙骨2包含多个加劲环201，各个加劲环201平行设置，设置于张拉整体龙骨2中部的加劲环201在张拉整体龙骨2的中心轴线上等距布置，设置于张拉整体龙骨2中部的加劲环201的直径相等且大于设置于张拉整体龙骨2头、尾两侧的加劲环201的直径；设置于张拉整体龙骨2中部的加劲环201的数量大于等于5且小于等于8，张拉整体龙骨2中部的加劲环201的数量本实施例优选为6。
张拉整体龙骨2包含多段梭形桁架芯轴203，各段梭形桁架芯轴203依次连接艇身的艇首头锥204、各个加劲环201的纺锤形薄壁管轴毂20103、艇身的艇尾尾锥205，形成从艇身的艇首至艇尾的芯轴。
纵拉杆202依次连接艇身的艇首头锥、各个加劲环201的环向三角形桁架20101、艇身的艇尾尾锥；纵拉杆202在环向三角形桁架20101的圆周方向均匀设置，纵拉杆202于径向拉杆20102一一对应。
如图1所示，预张力囊体1为组合几何体，预张力囊体1的头部为半球形，预张力囊体1的中部为圆柱形，预张力囊体1的尾部为圆锥形。
矢量侧推3设置在艇身的侧下方；矢量尾推4设置在艇身的尾部；X型充气尾翼5呈X形布置在艇身的尾部；气垫6设置在艇身的下部；吊舱7设置在艇身的下部。
矢量侧推3为俯仰矢量转动，矢量侧推3的数量为4，分别设置于艇身的头部和尾部的加劲环201的±120°处；矢量尾推4为全向矢量转动，矢量尾推4的支承结构与梭形桁架芯轴203连接；X型充气尾翼5的支承结构与环向三角形桁架20101的连接，X型充气尾翼5为充气尾翼无舵面。
气垫6为双层多气室结构，气垫6的支承结构与环向三角形桁架20101的下部连接，气垫6在艇身的头尾方向均匀设置2组或3组，本实施例优选为3组，每组气垫6在艇身的左右方向对称布置。
吊舱7为分布式结构，吊舱7的支承结构吊挂连接于2个加劲环上。
太阳能电池阵8的电池为半柔性单晶电池，太阳能电池阵8模块化嵌连于预张力囊体1上部。
本实施例中，预张力囊体1可采用高比强度多功能层复合织物薄膜制作，张拉整体龙骨2可采用CFRP薄壁管和拉杆制作，张拉整体龙骨2各个构件的具体参数可以根据结构力学参数确定。
本发明公开的大尺度半刚性结构飞艇，具有较低气动阻尼，各个功能模块采用模块化与标准化设计，易于制造和集成，成本低；预张力囊体1采用应变补偿设计，通过预张拉与张拉整体龙骨2集成，实现张拉整体龙骨2与预张力囊体1协同受力，具有囊体零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载的特点，以及灵活的载荷布置与高效传递，整体控制难度低的优点。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大尺度半刚性结构飞艇，包括艇身、矢量侧推、矢量尾推、X型充气尾翼、气垫、吊舱；所述艇身包括预张力囊体、张拉整体龙骨；所述预张力囊体预张紧套设在所述张拉整体龙骨外表面；所述矢量侧推设置在所述艇身的侧下方；所述矢量尾推设置在所述艇身的尾部；所述X型充气尾翼呈X形布置在所述艇身的尾部；所述气垫设置在所述艇身的下部；所述吊舱设置在所述艇身的下部。
2.如权利要求1所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述张拉整体龙骨包括加劲环、纵拉杆、梭形桁架芯轴，所述加劲环呈轮毂状，所述加劲环包括环向三角形桁架、径向拉杆、纺锤形薄壁管轴毂；所述环向三角形桁架设置在所述加劲环的外圆周上，所述环向三角形桁架为整圆形结构，所述纺锤形薄壁管轴毂设置在所述加劲环的中心处，所述纺锤形薄壁管轴毂的中心轴线、所述加劲环的中心轴线和所述张拉整体龙骨的中心轴线重合，所述径向拉杆连接所述环向三角形桁架的内环和所述纺锤形薄壁管轴毂，所述径向拉杆在所述加劲环的圆周方向均匀布置，所述径向拉杆沿所述加劲环的中心面对称双层布置，所述环向三角形桁架、所述径向拉杆和所述纺锤形薄壁管轴毂形成自平衡力系；所述梭形桁架芯轴设置在所述张拉整体龙骨的中心轴线上；所述纵拉杆设置在所述环向三角形桁架的外环上；所述加劲环、所述纵拉杆和所述梭形桁架芯轴组成拉压自平衡体系。
3.如权利要求2所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述张拉整体龙骨包含多个所述加劲环，所述加劲环平行设置；设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环在所述张拉整体龙骨的中心轴线上等距布置，设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环的直径相等且大于设置于所述张拉整体龙骨头、尾两侧的所述加劲环的直径；设置于所述张拉整体龙骨中部的所述加劲环的数量大于等于5且小于等于8。
4.如权利要求3所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述张拉整体龙骨包含多段所述梭形桁架芯轴，所述梭形桁架芯轴依次连接所述艇身的艇首头锥、各个所述加劲环的所述纺锤形薄壁管轴毂、所述艇身的艇尾尾锥，形成从所述艇身的艇首至艇尾的芯轴。
5.如权利要求4所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述纵拉杆依次连接所述艇身的艇首头锥、各个所述加劲环的所述环向三角形桁架、所述艇身的艇尾尾锥；所述纵拉杆在所述环向三角形桁架的圆周方向均匀设置，所述纵拉杆与所述径向拉杆一一对应。
6.如权利要求5所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述预张力囊体为组合几何体，所述预张力囊体的头部为半球形，所述预张力囊体的中部为圆柱形，所述预张力囊体的尾部为圆锥形。
7.如权利要求6所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述气垫为双层多气室结构，所述气垫的支承结构与所述环向三角形桁架的下部连接，所述气垫在所述艇身的头尾方向均匀设置2组或3组，每组所述气垫在所述艇身的左右方向对称布置。
8.如权利要求7所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述X型充气尾翼的支承结构与所述环向三角形桁架的连接；所述矢量尾推为全向矢量转动，所述矢量尾推的支承结构与所述梭形桁架芯轴连接。
9.如权利要求8所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，所述矢量侧推为俯仰矢量转动，所述矢量侧推的数量为4，分别设置于所述艇身的头部和尾部的所述加劲环的±120°处；所述吊舱为分布式结构，所述吊舱的支承结构吊挂连接于2个或3个所述加劲环上。
10.如权利要求9所述的大尺度半刚性结构飞艇，其特征在于，还包括太阳能电池阵，所述太阳能电池阵的电池为半柔性单晶电池，所述太阳能电池阵模块化嵌连于所述预张力囊体上部。
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