CN111806668A - 基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇 - Google Patents

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Abstract

一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，包括：依次水平相连的头锥、艇体和尾椎以及设置于艇体外部的蒙皮，艇体的上部结构在弓形肋梁和气囊浮力支撑下保持稳定形态，艇体的下部结构采用柔性拉索并通过变形消除飞艇在下降过程中产生的负压，改善飞艇支承结构的受力状态，保证结构的安全。本发明采用刚性的弓形肋梁和柔性拉索共同作为飞艇的环向支撑体系，上部结构在弓形肋梁和气囊浮力支撑下，保持稳定形态，保证飞艇飞行和回收下降时的受力稳定，下半部采用柔性拉索，大幅度减小刚性骨架，降低飞艇结构重量，设计新颖，安全性高，有效载重量大。

Description

基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇
技术领域
本发明涉及的是一种平流层飞艇领域的技术，具体是一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇。
背景技术
飞艇主要由艇体、动力装置、尾翼和吊舱组成。飞艇按结构形式一般可分为硬式飞艇 (rigid airship)、软式飞艇(non-rigid airship，或blimp)和半硬式飞艇(semi-rigidairship，或 hybrid airship)。硬式飞艇骨架庞大，会增加飞艇结构的重量；软式飞艇的形状仅依靠气囊维持，当飞艇内部压力与外部压力接近或小于外部压力时很难维持形状，导致飞艇失效；半硬式飞艇通过气囊中的气体压力，和刚性骨架共同维持艇体形状，结合了以上两种飞艇的优势，成为当今发展的主流方向。
现有的半硬式骨架结构采用环形梁或环形桁架作为环向支撑体系，当飞艇在下降过程中，环形梁上部受到气囊向外的浮力，下部通常受到气压向内的负压作用，环形梁受力不均匀，截面中弯矩大，极易产生强度破坏。为提高结构安全性，通常需要采用较大截面的环形梁或环形桁架，飞艇结构重量也将随之增加。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，采用刚性的弓形肋梁和柔性拉索共同作为飞艇的环向支撑体系，上部结构在弓形肋梁和气囊浮力支撑下，保持稳定形态，保证飞艇飞行和回收下降时的受力稳定，下半部采用柔性拉索，大幅度减小刚性骨架，降低飞艇结构重量，设计新颖，安全性高，有效载重量大，经济效益好。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，包括：依次水平相连的头锥、艇体和尾椎以及设置于艇体外部的蒙皮，其中：蒙皮覆盖于艇体上。
所述的半硬式鱼骨结构是指：艇体的上部结构在弓形肋梁和气囊浮力支撑下保持稳定形态，艇体的下部结构采用柔性拉索并通过变形消除飞艇在下降过程中产生的负压，改善飞艇支承结构的受力状态，保证结构的安全。
所述的艇体包括：主梁、弓形肋梁、柔性环索、气囊和放射索，其中：主梁两端分别与头锥和尾椎相连，弓形肋梁均匀平行设置于主梁上半部，柔性环索环绕飞艇一周设置组成环形箍，上半部分与弓形肋梁重合，放射索在飞艇长度方向与弓形肋梁位置相同，放射索一端设置于主梁上并以主梁为中心呈放射状设置，放射索的另一端与弓形肋梁或柔性环索直接或通过蒙皮相连，气囊设置于相邻放射索之间。
所述的蒙皮底部设有吊舱。
所述的蒙皮靠尾椎一端设有尾翼。
所述的艇体上部设有顶纵梁，其中：顶纵梁两端分别与主梁端部相连，中间与弓形肋梁相连。
技术效果
本发明整体解决现有半刚性平流层飞艇回收过程中由于飞艇承受负压，使飞艇支承结构失去稳定，造成飞艇下降过程速度过快且不能控制，导致飞艇回收试验失败的问题；本发明通过仿生鱼的结构，将现有半刚性飞艇的刚性环或刚性桁架改为上部为刚度，下部为柔性，通过下部柔性结构的变形消除飞艇结构下降过程中承受的负压作用，从而保证飞艇支承结构的稳定性，保证飞艇回收过程中的安全性。
与现有技术相比，本发明刚性弓形肋梁和柔性环索共同组成飞艇环向支承结构，相对全刚性飞艇支承环或支承桁架，即可达到提高结构稳定性承载能力的同时，实现减小飞艇结构自重，提高有效载荷；弓形肋梁自身并不封闭，不需要蒙皮与封闭刚性环或刚性桁架尺寸的精确匹配，极大地减少了蒙皮与封闭刚性环或刚性桁架的加工精度要求，降低加工费用；弓形肋梁只是放置在飞艇上部，极大地减少了飞艇组装过程中的困难，组装过程不需要大型设备和临时支承，也不需要翻滚蒙皮结构，大幅度降低飞艇组装费用和组装时间，提高效率。
本发明采用刚性的主梁和弓形肋梁、柔性的柔性环索和放射索共同作为飞艇的主要支撑体系，艇体上半部弓形肋梁较现有技术环形梁长度小，同时减少了弓形肋梁所需横截面积，使得骨架更少，结构重量更轻；艇体下半部采用柔性的柔性环索和放射索，保证下部气囊安全的同时，减少刚性构件的用量，有效地降低飞艇结构重量；另外，弓形肋梁与柔性环索共同组成环形箍，通过柔性环索的大变形消除飞艇结构回收过程中可能出现的负压，保障飞行安全的同时，实现了结构优化及轻量化设计。
附图说明
图1为本发明气囊满充时形态示意图；
图2为本发明气囊半充时形态示意图；
图3为本发明鱼骨式结构构造示意图；
图4为本发明鱼骨式结构(a)与现有半硬式结构(b)受力对比图；
图5为实施例效果示意图；
图中：主梁1、顶纵梁2、弓形肋梁3、气囊4、尾椎5、头锥6、蒙皮7、吊舱8、放射索9、柔性环索10、尾翼11、艇体12。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其中包含：依次水平相连的头锥6、艇体12和尾椎5以及设置于艇体外部的蒙皮7，其中：蒙皮7覆盖于艇体 12上。
所述的艇体12包括：用于提供纵向刚度的主梁1、弓形肋梁3、气囊4、柔性环索10和放射索9，其中：主梁1两端分别与头锥6和尾椎5相连，弓形肋梁3均匀平行设置于主梁 1上半部，放射索9一端设置于主梁1上并以主梁1为中心呈放射状设置，放射索9的另一端与弓形肋梁3或柔性环索10直接或通过蒙皮7相连，气囊4设置于相邻放射索9之间，气囊 4向上的浮力通过蒙皮7共同传递给顶纵梁2和弓形肋梁3，进而通过放射索9传递给主梁1，通过各个气囊4的浮力变化，实现飞艇的上浮和下潜；柔性环索10环绕放射索9一周设置，组成环形箍，用于消除飞艇结构回收过程中出现的负压。
所述的蒙皮7底部设有吊舱8。
所述的蒙皮7靠尾椎一端设有尾翼11。
所述的艇体12上设有若干顶纵梁2，其中：顶纵梁2两端分别与主梁1端部相连，中间与弓形肋梁3相连，用于为艇体12提供更大的纵向刚度，维持弓形肋梁3的相对位置，使安全性得到更好的保证。
所述的顶纵梁2和柔性环索10设置在蒙皮内部和外部均可。
所述的顶纵梁2可为通长或分段杆件，与蒙皮7形状一致。
所述的弓形肋梁3整体为拱形结构，截面为圆管或方管，柔性环索10与弓形肋梁3重合部分从通过弓形肋梁3中间穿过。
本发明采用刚性的弓形肋梁、柔性环索和放射索共同作为飞艇的环向支撑体系，弓形肋梁较环形梁长度小，结构受力合理，减少了弓形肋梁横截面积，使得骨架更少，结构重量更轻；艇体下半部采用柔性环索，当飞艇下部气囊充满整个气囊舱室后，柔性环索提供环向张力与放射索提供径向张力共同承受内压作用，保证下部气囊安全，有效地降低飞艇结构重量；另外，弓形肋梁与柔性环索共同组成环形箍，通过环形箍下部的大变形消除飞艇结构回收过程中可能出现的负压，保障飞行安全的同时，实现了结构优化及轻量化设计。
本实施例以直径32米的平流层飞艇为例经过理论分析，飞艇回收过程中高度下降到 10000m时，采用本发明与现有封闭刚性环技术梁中最大弯矩值对比，图5a中本发明中最大弯矩值0.191kN.m，图5b中现有封闭刚性环技术梁中最大弯矩值1.751kN.m，本发明中刚性构件最大弯矩较现有技术下降了89.1％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征在于，包括：依次水平相连的头锥、艇体和尾椎以及设置于艇体外部的蒙皮，其中：蒙皮覆盖于艇体上；
所述的半硬式鱼骨结构是指：艇体的上部结构在弓形肋梁和气囊浮力支撑下保持稳定形态，艇体的下部结构采用柔性拉索并通过变形消除飞艇在下降过程中产生的负压，改善飞艇支承结构的受力状态，保证结构的安全。
2.根据权利要求1所述的基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征是，所述的艇体包括：主梁、弓形肋梁、柔性环索、气囊和放射索，其中：主梁两端分别与头锥和尾椎相连，弓形肋梁均匀平行设置于主梁上半部，柔性环索环绕飞艇一周设置组成环形箍，上半部分与弓形肋梁重合，放射索在飞艇长度方向与弓形肋梁位置相同，放射索一端设置于主梁上并以主梁为中心呈放射状设置，放射索的另一端与弓形肋梁或柔性环索直接或通过蒙皮相连，气囊设置于相邻放射索之间。
3.根据权利要求1所述的基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征是，所述的蒙皮底部设有吊舱。
4.根据权利要求1所述的基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征是，所述的蒙皮靠尾椎一端设有尾翼。
5.根据权利要求1所述的基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征是，所述的艇体上部设有顶纵梁，其中：顶纵梁两端分别与主梁端部相连，中间与弓形肋梁相连。
6.根据权利要求1所述的基于仿生的半硬式鱼骨结构飞艇，其特征是，所述的弓形肋梁整体为拱形结构，截面为圆管或方管，柔性环索与弓形肋梁的重合部分从通过弓形肋梁中间穿过。
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