CN110466730A - 一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，涉及一种飞艇结构设计方法。飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体设计，在主囊体内部设置隔膜，隔膜可以自由膨胀且隔膜边缘与主囊体内壁密封固定连接，隔膜和主囊体下部隔膜包围部分组成空气囊，主囊体内部位于隔膜上方为氦气存在区域，在主囊体内部间隔设置多个充气环，充气环通过四条连接索限制定型，充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间，主囊体首尾两端通过碳纤维骨架起到轴向辅助支撑作用。在飞艇的主囊体内部设置充气环，使承载较大的部位的变形和受力得到有效的控制，充气环将空气囊隔断成多个协同作用，不同空气囊空间充放气也有利于改变飞艇重心控制纵向运动。

Description

一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法
技术领域
本发明涉及一种飞艇结构设计方法，尤其是一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法。
背景技术
平流层空间距离地表高度为20～100km，位于对流层之上及电离层之下，天气气候稳定，几乎无电磁干扰，其独特的环境优势和军民用应用价值，成为世界各国关注的热点。平流层飞艇为平流层空间长时间持续飞行的飞行器代表，在通信中继、导航定位、气象观测、空间探测等领域有着广泛的应用前景和发展潜能，美、日、英、俄等许多国家正投入大量经费进行研发，平流层飞艇进入快速发展时期。
平流层飞艇体积庞大，上下表面超压不同。目前，飞艇的主囊体内部没有充气环，也没有考虑几个空气囊协同作用时候的运作机理，主囊体变形较大的部位得不到有效的控制。
因此，针对上述缺陷，基于飞艇的主囊体内外压力压差梯度载荷条件，建立在不同高度处飞艇的主囊体受内外压差真实工况下的飞艇模型，对飞艇结构进行优化设计，通过在主囊体内部增加充气环的方法，增加主囊体整体的刚度，并且在主囊体体积收缩时，其内部可以形成零压或负压，提升充放气的效率，对飞艇结构设计领域具有明显的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，所述设计方法包括：
飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体内部设置隔膜，所述隔膜可以自由膨胀且隔膜边缘与主囊体内壁密封固定连接，隔膜和主囊体下部隔膜包围部分组成空气囊，主囊体内部位于隔膜上方为氦气存在区域，所述空气囊与所述氦气存在区域交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体内部沿长度方向间隔设置多个充气环以增强刚度，每个所述充气环通过四条连接索限制定型，每个充气环采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间，主囊体首尾两端分别设置多根碳纤维杆组成碳纤维骨架，对主囊体轴向起到辅助支撑作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在飞艇的主囊体内部设置充气环增加整体的刚度，充气环设置有连接索控制变形，能够使主囊体承载较大的部位的变形得到有效的控制，并且在主囊体体积收缩时，其内部可以形成零压或负压，提升充放气的效率，设置多个充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间协同作用，当隔膜刚度较大时，可以让充气环下部也充满氦气，存在梯度压力，有利于维持飞艇主囊体的形态和刚度，不同空气囊空间充放气也有利于改变飞艇重心的轴向位置来控制飞艇的纵向运动，对飞艇结构设计领域具有明显的现实意义。
附图说明
图1是本发明的飞艇的主囊体的几何外形示意图；
图2是本发明的飞艇在驻空高度时主囊体内隔膜状态示意图；
图3是本发明的飞艇在18km高度时主囊体内隔膜状态示意图，其中隔膜刚度很小；
图4是本发明的飞艇在12km高度时主囊体内隔膜状态示意图，其中隔膜刚度很小；
图5是本发明的飞艇的空气囊内为正压时隔膜状态示意图，其中隔膜刚度较大；
图6是本发明的隔膜的受力分析示意图；
图7是本发明的飞艇的主囊体设置碳纤维杆的轴测图；
图8是本发明的充气环的主视结构示意图；
图9是本发明的飞艇的主囊体内设置充气环的轴测图；
图10是本发明的充气环与四条连接索的布置形式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：如图1～图10所示，本发明公开了一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，所述设计方法包括：
飞艇的主囊体1构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体1内部设置隔膜2，所述隔膜2可以自由膨胀且隔膜2边缘与主囊体1内壁密封固定连接，隔膜2和主囊体1下部隔膜2包围部分组成空气囊1-1，主囊体1内部位于隔膜2上方为氦气存在区域1-2，所述空气囊1-1与所述氦气存在区域1-2交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体1内部沿长度方向间隔设置多个充气环3以增强刚度，每个所述充气环3通过四条连接索3-1限制定型，每个充气环3采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环3将空气囊1-1整体隔断成多个空气囊空间，主囊体1首尾两端分别设置多根碳纤维杆4组成碳纤维骨架，对主囊体1轴向起到辅助支撑作用。
具体实施方式二：如图8所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述充气环3采用vectran织物材料，所述连接索3-1采用凯夫拉带。
具体实施方式三：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述隔膜2以UHMWPE纤维50D织物为承力层、聚烯醇类功能膜为阻气膜，所述承力层的材料面密度为0.97g/cm3、纤维比强度为3196kg·m/kg，所述阻气膜的材料面密度为15g/cm3、透氦率为0.18L/m2.24h.atm。
实施例：
参照图1所示的几何外形设计飞艇的主囊体1，主囊体1采用双椭圆母线旋成体设计，是典型的流线型布局，满足：其中a＝32.527m，b＝15.136m，主囊体1的总体积为37680m3，主囊体1的总长度为78.520178m，最大直径为30.272m，参照图2所示，在主囊体1内部设置隔膜2，隔膜2可以自由膨胀且隔膜2边缘与主囊体1内壁密封固定连接，隔膜2和主囊体1下部隔膜2包围部分组成空气囊1-1，主囊体1内部位于隔膜2上方为氦气存在区域1-2，可根据需要设置多个氦气囊，参照图9所示，在主囊体1内部沿长度方向间隔设置8个充气环3，充气环3设置在主囊体1变形较大的部位，由于主囊体1头部为迎风面，可在主囊体1内部靠近头部位置增加1个充气环3，主囊体1内部与氦气囊对应位置可增加4个充气环3，主囊体1内部与吊舱对应位置可增加1个充气环3，主囊体1内部与螺旋桨对应位置可增加2个充气环3，以增强刚度，充气环3的数量及位置可以根据需要增减与布置，充气环3采用直管拼接，通过计算保证直管拼接的圆度在99％以上，在受力较大位置直管拼接的数量和横截面直径都进行加大，参照图8所示，充气环3通过四条连接索3-1限制定型，连接索3-1布置形式参照图10所示，当隔膜2选用不同材料时，在不同的压力下，其变形机理不同，梯度压力的计算也不同，若隔膜2刚度很小，参照图3、4所示，分别为飞艇在18km和12km高度时隔膜状态示意图，隔膜2上下的氦气和空气的内压是相同的，隔膜2处氦气和空气产生的压力平衡，隔膜2内的气体会充满任何一个低洼处，故隔膜2为水平状态，隔膜2与充气环3交界处贴合在一起，若隔膜2刚度较大，如采用以UHMWPE纤维(50D)织物为承力层(材料面密度为0.97g/cm3,纤维比强度为3196kg·m/kg)、聚烯醇类功能膜为阻气膜(材料面密度为15g/cm3,透氦率为0.18L/m2.24h.atm)，参照图5所示，隔膜2出现凸起，受力分析如图6所示，不妨假设隔膜2外部的上方压力为20pa，由于梯度压力(隔膜2到主囊体1顶部存在由于氦气和外部空气存在密度差导致)的存在，假设隔膜2外部下方压力为0pa，则隔膜2内的气体要想处于平衡，其上部压力也等于20pa,由于隔膜2内为空气，梯度压力近似为0，所以其下部压力也为20pa，故在隔膜2需要一定的刚度才能承载20pa，维持图5所示的状态，这样的隔膜2形态可以让充气环3所在主囊体1的下部也充满氦气，存在梯度压力，有利于维持飞艇的形态和刚度。当空气囊1-1内上部气压为0Pa时，由于隔膜2内为空气，梯度压力近似为0，故空气囊1-1上部下部都是0pa，而空气囊1-1外部的是氦气，则由于梯度压力的存在，空气囊1-1上部为20Pa,则空气囊1-1会被压缩成水平的状态，如图3、图4所示，故要想隔膜2维持图5的凸起状态需要空气囊1-1内为正压，维持图3、图4的水平状态需要空气囊1-1内为零压或负压，可以根据需要，设计成多空气囊1-1，多充气环3结构，在主囊体1受力较大易于变形的部位设置充气环3，通过选材控制其刚度，灵活的进行设计，参照图7所示，在主囊体1首尾两端分别设置6根碳纤维杆4组成碳纤维骨架，每根碳纤维杆4由多根短碳纤维杆和避震喉连接而成，具有一定刚度，对主囊体1轴向起到辅助支撑作用，当有风载作用时可以起到抗风作用承受部分风压。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，其特征在于：所述设计方法包括：
飞艇的主囊体(1)构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体(1)内部设置隔膜(2)，所述隔膜(2)可以自由膨胀且隔膜(2)边缘与主囊体(1)内壁密封固定连接，隔膜(2)和主囊体(1)下部隔膜(2)包围部分组成空气囊(1-1)，主囊体(1)内部位于隔膜(2)上方为氦气存在区域(1-2)，所述空气囊(1-1)与所述氦气存在区域(1-2)交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体(1)内部沿长度方向间隔设置多个充气环(3)以增强刚度，每个所述充气环(3)通过四条连接索(3-1)限制定型，每个充气环(3)采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环(3)将空气囊(1-1)整体隔断成多个空气囊空间，主囊体(1)首尾两端分别设置多根碳纤维杆(4)组成碳纤维骨架，对主囊体(1)轴向起到辅助支撑作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，其特征在于：所述充气环(3)采用vectran织物材料，所述连接索(3-1)采用凯夫拉带。
3.根据权利要求1所述的一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，其特征在于：所述隔膜(2)以UHMWPE纤维50D织物为承力层、聚烯醇类功能膜为阻气膜，所述承力层的材料面密度为0.97g/cm3、纤维比强度为3196kg·m/kg，所述阻气膜的材料面密度为15g/cm3、透氦率为0.18L/m2.24h.atm。
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