CN111746773B - 一种刚柔一体结构飞艇尾锥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔一体结构飞艇尾锥，涉及浮空飞行器结构技术领域，包括内尾锥、外尾锥和囊体，其中，所述内尾锥由主承力环、斜支撑、径向支撑和节点连接而成倒圆锥形空间结构，所述外尾锥由纵撑杆、端承力环、加劲环和所述节点连接而成圆锥形空间结构，所述囊体为飞艇主气囊，由多个幅片热合焊接而成，飞艇内部刚柔一体结构与所述囊体通过所述内尾锥相连。本发明构造简单、集成方便、受力合理，实现了飞艇尾锥与刚柔一体结构的完整统一，具有重量轻、整体纵向和横向刚度大的优点，使飞艇尾部结构更便于设置矢量推力航向保持机构，从而承受纵向推力及俯仰和侧向控制力。

Description

一种刚柔一体结构飞艇尾锥

技术领域

本发明涉及浮空飞行器技术领域，尤其涉及一种刚柔一体结构飞艇尾锥。

背景技术

飞艇是轻于空气(LTA，lighter than air)飞行器，能耗低，环保友好，曾经在航空科技领域取得重大成就，飞艇以其特有的优势活跃于人类航空发展的各个阶段，20世纪80年代，随新型高性能复合材料、太阳能能源与储能电池技术、计算机通讯电子技术等革新，新型飞艇取得了长足的发展。

飞艇按照结构体系，常分为硬式飞艇、软式飞艇、半硬式飞艇。硬式飞艇为Zeppelin典型体系，内部采用双层圆筒网格结构形式，整体刚度大、尺度大，曾达到约250m长；软式飞艇仅充气囊体，总体结构轻，刚度小，可操控性差，一般较小飞艇多采用软式结构，最大曾达到120m长；半硬式飞艇是在飞艇的承力局部设计为刚度较大，或者高效轻质结构体系，以实现整体轻质和受力合理。新构型飞艇创新的主要领域就是结构体系创新。

飞艇尾锥是飞艇结构中的重要组成部件，主要承受气动载荷以及尾部矢量推力，具备航向控制等功能。软式飞艇尾部设置矢量推力航向控制机构困难。硬式飞艇的过冗余结构中，囊体仅局部密封，尾锥类似飞机机头，可有效传力，但是重量较大。

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，该专利没有给出尾锥和创新尾锥设计。

陈务军、付功义，等著“一种大尺度半刚性结构飞艇”(CN201910275705.7)，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特点，但是，该专利没有给出尾锥和创新尾锥设计。

陈务军、胡建辉，等著“一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇”

(CN201910958705.7)提出一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，包括由张拉整体主龙骨撑起的外囊体，和所述外囊体内部的多个密封的内囊体，但是，该专利没有给出尾锥和创新尾锥设计。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种构造简单、集成方便、受力合理的刚柔一体结构飞艇尾锥，实现飞艇尾锥与刚柔一体结构的完整统一，具备重量轻、整体纵向和横向刚度大的优点，使飞艇尾部结构更便于设置矢量推力航向保持机构，从而承受纵向推力及俯仰和侧向控制力。

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，发明一种重量轻、整体纵向和横向刚度大的刚柔一体结构飞艇尾锥，使飞艇尾部结构便于设置矢量推力航向保持机构，从而承受纵向推力及俯仰和侧向控制力。

为实现上述目的，本发明提供了一种刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，包括内尾锥、外尾锥和囊体，其中，所述内尾锥由主承力环、斜支撑、径向支撑和节点连接而成倒圆锥形空间结构，所述外尾锥由纵撑杆、端承力环、加劲环和所述节点连接而成圆锥形空间结构，所述囊体为飞艇主气囊，飞艇内部刚柔一体结构与所述囊体通过所述内尾锥相连。

进一步地，所述内尾锥与所述外尾锥通过所述节点相连，所述节点均匀设置在所述主承力环上。

进一步的，在所述内尾锥中，所述径向支撑和所述斜支撑通过所述节点与所述主承力环相连，所述斜支撑在所述主承力环上沿每120度设置，所述斜支撑通过所述节点与所述主承力环和内部正三角形桁架弦杆相连，所述径向支撑通过所述节点沿每120度径向连接所述主承力环，所述径向支撑与所述飞艇内部刚柔一体结构相连。

进一步地，所述斜支撑包括主斜支撑和次斜支撑，所述主斜支撑沿所述主承力环每120度设置，所述次斜支撑在所述主斜支撑两侧呈V型设置。

进一步地，连接所述斜支撑和所述内部正三角形桁架弦杆的是三肢管相贯通接头，所述三肢管相贯通接头的主管连接所述内部正三角形桁架弦杆主结构，三肢管分别嵌套胶接固化连接所述主斜支撑和所述次斜支撑。

进一步地，在所诉外尾锥中，所述纵撑杆沿环向均匀设置，间隔60度，所述纵撑杆通过所述节点与所述内尾锥连接，所述纵撑杆与所述加劲环和所述端承力环相连，所述端承力环与飞艇尾部推进机构相连。

进一步地，所述节点均为固结固化成形，所述节点采用轻合金或复合材料制成。

进一步地，连接所述斜支撑和所述主承力环的所述节点为成对配套十字型法兰连接节点。

进一步地，所述外尾锥外覆盖轻质张力蒙皮整流罩。

进一步地，所述囊体由多个幅片热合焊接而成，所述幅片为高强轻质多功能层合薄膜材料。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

本发明的一种刚柔一体结构飞艇尾锥，构造简单、集成方便、受力合理，实现了尾锥与刚柔一体结构的完整统一，具有重量轻、整体纵向和横向刚度大的优点，使飞艇尾部结构便于设置矢量推力航向保持机构，从而承受纵向推力及俯仰和侧向控制力。

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刚柔一体结构飞艇尾锥侧视图；

图2是本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥透视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥透视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥正视图；

图5是本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥侧视图；

图6是本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥外尾锥透视图。

其中，1-内尾锥，2-外尾锥，3-囊体，101-主承力环，102-斜支撑，10201-主斜支撑，10202-次斜支撑，103-径向支撑，104-节点，10401-节点，10402-节点，10403-节点，10404-节点，10405-节点，10406-节点，201-纵撑杆，202-端承力环，203-加劲环，204-节点，20401-节点，20402-节点，20403-节点。

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所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥侧视图，包括内尾锥1、外尾锥2、囊体3。内尾锥1连接飞艇囊体3，外尾锥2连接飞艇囊体3，并连接内尾锥1，三者几何构型匹配，有效传递尾推载荷至内部刚柔一体结构。

如图2所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥透视图，包括内尾锥1、外尾锥2。

如图3所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥透视图；如图4所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥正视图；如图5所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥内尾锥侧视图，内尾锥1包括主承力环101、斜支撑102、径向支撑103和节点104连接而成倒圆锥形空间结构，内尾锥1呈每120度对称并连接内部刚柔一体结构和飞艇囊体3。内尾锥1与刚柔一体结构有机统一，具有几何稳定所需高效空间三角形几何与最少构件数量，实现轻质高刚度，制作集成简便。

主承力环101分为两半圆，由节点10401内嵌套连接固化成形；主承力环101呈每120度对称连接径向支撑103和斜支撑102，均匀设置节点10402连接纵拉杆；斜支撑102沿主承力环101呈每120度设置，沿主承力环每120度位置设置的是主斜支撑10201，两侧V形为次斜支撑10202，主斜支撑10201通过节点10403连接主承力环101，主斜支撑10201通过节点10404连接内部正三角形桁架弦杆，次斜支撑10202通过节点10405连接主承力环101，次斜支撑10202通过节点10404连接内部正三角形桁架弦杆，径向支撑103通过节点10403沿每120度径向与主承力环101相连，径向支撑103通过节点10406连接内部刚柔一体结构。节点均为固结固化成形，为保持连接刚度，可采用轻合金或复合材料。

节点10401内嵌套尺寸与主承力环101紧密匹配，嵌套长度满足抗弯刚度和强调要求。节点10402设置数量为n个，不小于6个，为偶数，沿主承力环101均匀设置，同时关于坐标轴对称；节点10402穿套于主承力环101，按设计定位后采用常温固化胶固化成形。节点10403为3个，沿主承力环101均匀设置，间隔角度120度，连接主斜支撑10201和径向支撑103；节点10403穿套于主承力环101，按设计定位后采用常温固化胶固化成形；节点10403为一对十字型法兰连接节点，成对成套连接主承力环101和主斜支撑10201杆端。节点10404为三肢管相贯通接头，主管连接内部主结构，三肢管分别嵌套胶接固化连接主斜支撑10201和次斜支撑10202。节点10405为3个，沿主承力环101均匀设置，间隔角度120度，同时与节点10403间隔60度连接V型次斜支撑10202；节点10405穿套于主承力环101，按设计定位后采用常温固化胶固化成形；节点10405为一对十字型法兰连接节点，成对成套连接主承力环101和V型次斜支撑10202杆端；节点10405和节点10403均为成对配套，节点10405可有效解决主承力环101和斜支撑102之间的装配几何干涉，同时保证刚性连接。

主承力环101、斜支撑102、径向支撑103优先选用高强轻质CFRP复合材料薄壁圆管，采用预浸料卷制高温固化成形；

节点104优先选用轻质高强合金，钛合金或镁、锂铝合金，采用精密加工成形；或采用复合材料，通过预浸料三维铺层或三维编织，高温固化一体化成形；

如图6所示，本发明的一个较佳实施例的刚柔一体结构飞艇尾锥外尾锥透视图，包括-纵撑杆201、端承力环202、加劲环203和节点204连接而成倒圆锥形空间结构，外尾锥2连接飞艇囊体3，同时连接内尾锥1和尾部推进机构。外尾锥2具有几何稳定所需高效空间三角形几何与最少构件数量，实现轻质高刚度，制作集成简便。

纵撑杆201通过节点20401与内尾锥1的节点1403和节点1405连接，纵撑杆201沿环向均匀设置，间隔60度。倒圆锥形空间结构外部可覆盖轻质张力蒙皮整流，减少尾部推进导致局部涡流气阻。加劲环203呈圆弧形，等弧长6段，通过节点20402连接纵撑杆201。加劲环203为轻质高强复合材料，可为L型或圆管。端承力环202为圆形承台，通过节点20403连接纵撑杆201，通过专用接口连接尾部推进机构。纵撑杆201为CFRP薄壁圆管，端承力环202、节点204为轻质复合材料或轻质合金结构。在内尾锥1和飞艇囊体3集成后，外尾锥2整体集成后整体装配连接内尾锥1。

本发明的结构系统尺寸、材料选择、性能参数，均可针对飞艇总体设计目标、技术指标，通过参数设计分析确定。

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)

1.一种刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，包括内尾锥、外尾锥和囊体，其中，所述内尾锥由主承力环、斜支撑、径向支撑、连接所述斜支撑及所述主承力环的节点和连接所述斜支撑、所述径向支撑及所述主承力环的节点连接而成倒圆锥形空间结构，所述外尾锥由纵撑杆、端承力环、加劲环和连接所述纵撑杆及所述主承力环的节点连接而成圆锥形空间结构，所述囊体为飞艇主气囊，飞艇内部刚柔一体结构与所述囊体通过所述内尾锥相连。

2.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，所述内尾锥与所述外尾锥通过连接所述纵撑杆及所述主承力环的节点相连，连接所述纵撑杆及所述主承力环的节点均匀设置在所述主承力环上。

3.如权利要求2所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，在所述内尾锥中，所述径向支撑和所述斜支撑与所述主承力环相连，所述斜支撑在所述主承力环上沿每120度设置，所述斜支撑通过连接所述斜支撑及所述主承力环的节点与所述主承力环相连，所述斜支撑通过连接所述斜支撑及内部正三角形桁架弦杆的节点与所述内部正三角形桁架弦杆相连，所述径向支撑通过连接所述斜支撑、所述径向支撑及所述主承力环的节点沿每120度径向连接所述主承力环，所述径向支撑与所述飞艇内部刚柔一体结构相连。

4.如权利要求3所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，所述斜支撑包括主斜支撑和次斜支撑，所述主斜支撑沿所述主承力环每120度设置，所述次斜支撑在所述主斜支撑两侧呈V型设置。

5.如权利要求4所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，连接所述斜支撑和所述内部正三角形桁架弦杆的是三肢管相贯通接头，所述三肢管相贯通接头的主管连接所述内部正三角形桁架弦杆主结构，三肢管分别嵌套胶接固化连接所述主斜支撑和所述次斜支撑。

6.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，在所诉外尾锥中，所述纵撑杆沿环向均匀设置，间隔60度，所述纵撑杆通过连接所述纵撑杆及所述主承力环的节点与所述内尾锥连接，所述纵撑杆与所述加劲环和所述端承力环相连，所述端承力环与飞艇尾部推进机构相连。

7.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，连接所述斜支撑、所述径向支撑及所述主承力环的节点和连接所述斜支撑及所述主承力环的节点均为固结固化成形，连接所述斜支撑及所述主承力环的节点、连接所述纵撑杆及所述主承力环的节点和连接所述斜支撑、所述径向支撑及所述主承力环的节点采用轻合金或复合材料制成。

8.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，连接所述斜支撑、所述径向支撑及所述主承力环的节点和连接所述斜支撑及所述主承力环的节点为成对配套十字型法兰连接节点。

9.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，所述外尾锥外覆盖轻质张力蒙皮整流罩。

10.如权利要求1所述的刚柔一体结构飞艇尾锥，其特征在于，所述囊体由多个幅片热合焊接而成，所述幅片为高强轻质多功能层合薄膜材料。

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