CN111994254A - 一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，涉及浮空飞行器技术领域，包括外囊体、内囊体、葵花形悬挂分隔、底腹龙骨、头锥、尾翼、推进器、太阳能电池、起落架；外囊体为气密性囊体结构，外囊体内为空气，由内外气压差保持囊体形态和刚度；外囊体内部沿纵向设置多个葵花形悬挂分隔，将外囊体内部分隔为多个气舱，气舱内设置内囊体，内囊体内是浮力工质氦气；底腹龙骨位于外囊体底腹部，沿纵向设于飞艇主体区段。本发明可提高平流层飞艇的整体结构力学性能，降低系统设计、制作、集成技术难度和总体成本，提高平流层飞艇的工业化应用水平。

Description

一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇

技术领域

本发明涉及浮空飞行器技术领域，尤其涉及一种新型大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇。

背景技术

平流层介于对流层和外层空间之间，一般高度为20～100km。平流层大气流动相对稳定，呈季节性规律运动，平均大气密度约88.9g/m³，气压约5kPa，空气阻尼比较小，同时，尚有足够气动升力效率和静浮力，故可适宜各类飞行器。

平流层飞艇是一种利用静浮力，并结合推进器和综合环控、飞控、能源等分系统，通过升空到达平流层，然后通过高度和姿态控制实现驻空，基于应用载荷，从而实现对地观测、信息中继等，具有重要的应用前景。但是，目前在世界范围内，平流层飞艇仍处于关键技术攻关、瓶颈技术突破、集成技术验证阶段，尚面临众多技术挑战。

由于平流层空气稀薄，空气密度仅约海平面的1/14，浮力极小，因此，国内外为了轻量化，一般采用由轻质材料制成的软式飞艇。软式飞艇设计制作技术难度低、重量轻、尺度相对较小，易于操控、升空和放回。但是，传统软式平流层飞艇在超热超压、承载强度等方面面临挑战，超冷会导致压差低、保形困难、刚度不够，进而，飞艇高度不能有效保持，应用场景受到极大限制。为了克服传统软式平流层飞艇面临的问题，采用刚柔一体结构是一种新思路，科技人员对此进行了有效的探索。但是，刚柔一体结构的设计、制作、集成技术难度很大，总体成本高。因此，平流层飞艇的应用从总体技术到关键技术，国内外该领域科技人员仍在进行各种探索。

中国专利“一种具有氨气副气囊的飞艇及其浮力控制方法”(ZL201110012621.8)，采用氨气副气囊三元气囊，并通过气液间的相变来实现对压力与浮力的控制，该方案具有较高的可行性。但是，针对典型软式平流层飞艇，氨气工质对浮心和飞艇质心的影响及其控制问题都没有得到有效解决。

中国专利“大体型飞艇的刚性结构体系”(CN201521080600.X)提出了一种刚性结构体系的飞艇，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构。其中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，该结构的预应力加劲环的刚度低、稳定性很差，通长的中芯轴贯穿飞艇囊体的首尾，分别穿过若干个预应力加劲环的中心管，导致中芯轴受到较大的压弯作用力，容易失稳，承载力低，安装不便，难以形成整体可行的预张力；且其内外囊体集成困难，外囊体受力协同效果差。

中国专利申请“一种新型结构的硬式平流层飞艇”(CN108725741A)，提供了一种硬式平流层飞艇，在外囊体外设置多个由加劲环和杆件构成的外囊体框架，类似“体外骨骼”。但该方案本质上仍是一个整体软式结构的飞艇概念，仅仅局部是增强了的结构体系，即整个飞艇结构体系仍需要外囊体充气超压维持飞艇形态和刚度。同时，由于“体外骨骼”和内部中芯轴、轮辐形拉索极大增加了结构重量，传力路径不清晰，受力不明确，结构效率低下。

中国专利申请“一种大尺度半刚性结构飞艇”(CN201910275705.7)，采用拉压自平衡体系的整体龙骨与预张力囊体相集成、以协同受力的结构，预张力囊体具有在零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载形的特点。但是，整体龙骨的设计、制作、集成难度大，以及外囊体、内囊体的集成和操作控制难度大，目前面临一系列技术挑战。

总之，现有技术中的平流层飞艇，其结构体系的力学特性、设计制造与集成、造价等综合优化仍然没有很好地得以解决，已经成为平流层飞艇走向工业化应用的障碍。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，降低刚柔一体结构的设计、制作、集成技术难度和总体成本，提高平流层飞艇的工业化应用水平。

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提供一种新型大尺度刚柔性组合结构的平流层飞艇，以提高平流层飞艇的整体结构力学性能，降低系统设计、制作、集成技术难度和总体成本，可以大大提高平流层飞艇的工业化应用水平。

为实现上述目的，本发明提供了一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，包括外囊体、内囊体、葵花形悬挂分隔、底腹龙骨、头锥、尾翼、推进器、太阳能电池、起落架；

所述外囊体为气密性囊体结构，所述外囊体内为空气，由内外气压差保持囊体形态和刚度，并可承受气动载荷，以及囊体外分布式或集中载荷；

所述外囊体内部沿纵向设置多个所述葵花形悬挂分隔，将所述外囊体内部分隔为多个气舱；所述气舱内设置所述内囊体；

所述底腹龙骨位于所述外囊体底腹部，沿纵向设于飞艇主体区段，连接所述外囊体设置的所述葵花形悬挂分隔点位置，可有效传递载荷；

所述头锥设于所述外囊体头部，可局部承受突风和操控载荷；

所述尾翼呈倒Y形布局，为充气尾翼结构，有张线维持其稳定，为所述平流层飞艇的姿态稳定执行器；

所述推进器设于所述外囊体侧面，为所述平流层飞艇提供推力；

所述太阳能电池呈模组化铺设在所述外囊体上部，为所述平流层飞艇提供能源；

所述起落架设于所述底腹龙骨下部，为所述平流层飞艇起落或地面操控提供支撑。

进一步地，所述内囊体为由所述外囊体、前后两端圆形隔布、倒扣圆槽盖形分隔所构成的封闭囊体，所述前后两端圆形隔布的下半圆连接所述外囊体，所述倒扣圆槽盖形分隔的两侧边沿纵向连接所述外囊体。

进一步地，所述内囊体内充盈着轻于空气的浮力工质氦气，所述倒扣圆槽盖形分隔可随氦气充盈率呈肺隔膜呼吸运动，氦气充盈率随飞艇升空或驻空高度控制自适应变化。

进一步地，所述内囊体数量为4～6个，构型一致，可独立或分组联通，通过浮力工质的质量转移实现重心和浮心调整。

进一步地，所述葵花形悬挂分隔包括帘布、悬挂索；所述帘布上边缘连接所述外囊体，所述帘布下边缘为分段悬链，各分段点为悬挂点连接所述悬挂索；所述悬挂索上端连接所述帘布悬挂点，所述悬挂索下端连接所述外囊体底部。

进一步地，所述葵花形悬挂分隔数量为3～5个，设置原则为使飞艇纵向传力分配均匀，同时对所述内囊体重心变化进行限制。

进一步地，所述底腹龙骨为刚性结构，可承受所述飞艇纵向载荷作用弯矩和集中载荷，有效保持所述外囊体低压后整体形态，维持整体刚度。

进一步地，所述底腹龙骨采用模块化、装配化的轻质复合材料框架结构。

进一步地，所述轻质复合材料框架结构采用倒T型截面，便于连接所述外囊体。

进一步地，所述头锥设于所述外囊体的头部，为局部承受突风和操控载荷；所述头锥为均匀分布撑条紧密贴于所述外囊体。

技术效果：

本发明公开了一种新型大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其柔性外囊体和刚性底腹龙骨是“组合结构”，而非“刚柔一体结构”，可保障飞艇在升驻返飞行包络线内整体刚度和受力，保持了软式飞艇设计、制作和集成较为简单的优点，以及单独龙骨刚性设计、制作、装配的标准化和模块化特点，极大地简化了刚性结构和柔性结构协同集成的技术问题。葵花形悬挂分隔质轻、传力路径简洁高效，可有效限制内囊体晃荡。内囊体构型简单、连接容易，可显著减少囊体材料，重量轻，形态控制高效，晃荡幅度小。本发明在力争提升飞艇总体性能的基础上，降低了工业设计、制作和集成技术的难度，降低了造价成本，为平流层飞艇走向工业化应用奠定了基础。

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是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的轴测图；

图2是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的俯视图；

图3是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的侧视图；

图4是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的前视图；

图5是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的葵花形悬挂分隔图；

图6是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的内囊体构型示意图；

图7是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的内囊体前端圆形隔布构型示意图。

图中，1-外囊体、2-内囊体、3-葵花形悬挂分隔、4-底腹龙骨、5-头锥、6-尾翼、7-推进器、8-太阳能电池、9-起落架、201-前两端圆形隔布、202-后两端圆形隔布、203-倒扣圆槽盖形分隔、301-帘布、302-悬挂索。

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～图4所示，本发明公开了一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，包括外囊体1、葵花形悬挂分隔3、底腹龙骨4、头锥5、尾翼6、推进器7、太阳能电池8、起落架9。

外囊体1为低渗气的气密性囊体结构，由轻质高强织物柔性薄膜材料裁切为幅片，再高温焊接而成。外囊体内为空气，由内外气压差保持囊体形态和刚度，并可承受气动载荷以及囊体外分布式或集中载荷。

外囊体1的内部设置多个葵花形悬挂分隔3，将外囊体1沿纵向分隔为多个气舱；每个气舱内设置一个内囊体2。葵花形悬挂分隔3可对内囊体2进行有效分隔，并限制内囊体2因晃荡而产生重心变化。

葵花形悬挂分隔3的数量为m且m＝3～5，设置原则为使飞艇纵向传力分配均匀，同时对内囊体2重心变化形成限制。由此，葵花形悬挂分隔3将外囊体1分隔为m+1个气室，气室内充空气，并大于外部气压呈超压形态。葵花形悬挂分隔3可有效将底部载荷传递至外囊体1上部刚度大的区域，使上部传力区域分散均匀，下部传力简洁。

底腹龙骨4位于外囊体1的底腹部，沿纵向设于飞艇主体区段，连接外囊体1所设置的葵花形悬挂分隔3的分隔点位置，可有效传递载荷。底腹龙骨4为刚性结构，可承受飞艇纵向载荷作用弯矩和集中载荷，有效保持外囊体1低压后的整体形态，维持整体刚度。底腹龙骨4可采用模块化、装配化的轻质复合材料框架结构，轻质复合材料框架结构可采用倒T型截面，便于连接外囊体1，可分布设置载荷舱、能源舱、环境舱等。底腹龙骨4载荷与挂点设置应使飞艇的静力矩(浮力与重力平衡)分布均匀，且极值最小化。

头锥5设于外囊体1头部，为局部承受突风和操控载荷。头锥5为均匀分布撑条紧密贴于外囊体1，撑条为轻质CFRP薄壁弧形管，撑条间隔@10-20°、长度约1/4头部曲线。

尾翼6呈倒Y形布局，为充气尾翼结构，有张线维持其稳定，为平流层飞艇姿态稳定执行器。优选地，尾翼6呈倒Y形布局，分别角度为120°。

推进器7设于外囊体1侧面，为平流层飞艇提供推力。推进器7设4组，设于葵花形悬挂分隔3的外侧，纬度120°，传力直接、姿态控制优。优选地，推进器7为适宜高空的螺旋桨和电机组成动力单元。更优选地，推进器7设矢量转动，可正负转动90°，增强飞艇姿态控制能力。

太阳能电池8呈模组化铺设外囊体1上部，为平流层飞艇提供能源。太阳能电池8为高转换率的柔性电池，采用分布式高效能源管理方法，储能电池为锂电池。柔性太阳能电池8模组与外囊体1连接为松连接，沿外囊体1切向可微小变形，可承受局部负压和正压。优选地，柔性电池为薄晶硅电池，弯曲率半径不小于1.0m；更优选地，柔性电池设2～6mmPMI隔热基底。

起落架9设于底腹龙骨4的下部，为平流层飞艇起落或地面操控提供支撑。起落架9设4个，分别位于底腹龙骨4的前后两端两列，可有效保持地面移动和起落的稳定性。

如图5所示，葵花形悬挂分隔3包括帘布301、悬挂索302。

帘布301上边缘A3-A4连接外囊体1，帘布301下边缘为分段悬链，各分段点为悬挂点，连接悬挂索302；帘布301上边缘弧圆心角为120°～180°；帘布301下边缘设n个悬挂点，一般n>3，n个悬挂点和两个边缘点构成圆曲线、抛物线或悬链线，n个悬挂点将帘布301下边缘分成n+1段，分段为圆曲线或抛物线或悬链线。

葵花形悬挂分隔3可有效将底部载荷传递至外囊体1上部刚度大的区域，使上部传力区域分散均匀，下部悬挂索302传力简洁。

悬挂索302上端连接帘布301悬挂点，悬挂索302下端连接外囊体1的底部，底部连接区域A1-A2加劲和设装配节点。葵花形悬挂分隔3下部的悬挂索302，使载荷传递扩散均匀，受力合理。

优选地，帘布301为轻质高强织物柔性薄膜材料，悬挂索302为轻质高强低松弛材料。特别地，悬挂索302制备长度须按设计应力长度定制，且与外囊体1在设计压力下协同受力。

如图6、图7所示，内囊体2及其前后端圆形隔布201、202、倒扣圆槽盖形分隔203的构型示意图。

内囊体2位于外囊体1的内部气舱内，构成封闭内囊体2的包括外囊体1、前端圆形隔布201、后端圆形隔布202、倒扣圆槽盖形分隔203。内囊体2为多个，具体数量为m+1，每个内囊体2构型一致，根据总体设计，可独立或分组联通；内囊体2内充盈着轻于空气的浮力工质氦气，通过工质的质量转移实现重心和浮心调整。

内囊体2的构型可显著减少囊体材料、重量轻，构型简单、制作高效、连接和集成容易，形态控制有效、晃荡幅度小。

前端圆形隔布201中心O2高于外囊体1截面中心O1，S1-S2为水平轴，上部S1-O3-S2几何形状与外囊体1一致，S1-O4-S2亦与外囊体1一致，且此弧长与外囊体气密性融合连接；后端圆形隔布202与前端圆形隔布201有着类似的构型和连接；倒扣圆槽盖形分隔203的两个纵向边S1-S1’、S2-S2’与外囊体1连接。倒扣圆槽盖形分隔203可随氦气充盈率呈肺隔膜呼吸运动，可在S1-O3-S2、S1’-O3’-S2’和S1-O5-S2、S1’-O5’-S2’之间上下浮动，氦气充盈率随飞艇升空或驻空高度控制自适应变化。

优选地，内囊体2倒扣圆槽盖形分隔203和前后两端圆形隔布201、202可采用超轻质薄膜或超轻织物薄膜，具有优异的耐折叠韧性和抗撕裂性能。

本发明对平流层飞艇的柔性外囊体、内囊体、葵花形悬挂分隔等进行单独设计、制作和集成，又对刚性龙骨进行单独设计、制作、装配并加以标准化和模块化，然后将柔性外囊体和刚性底腹龙骨加以组合，形成“组合结构”的平流层飞艇，这与“刚柔一体结构”平流层飞艇是不同的。“组合结构”可保障飞艇整个飞行过程中的整体刚度和受力。既保持了软式飞艇设计、制作和集成较为简单的优点，又体现了刚性龙骨单独设计、制作、装配的标准化和模块化特点，极大地简化了平流层飞艇刚性结构和柔性结构协同集成的技术问题。内囊体构型简单、连接容易，可显著减少囊体材料，重量轻，形态控制高效，晃荡幅度小。葵花形悬挂分隔质轻、传力路径简洁高效，可有效地进一步限制内囊体晃荡。本发明既能保证平流层飞艇的总体性能，又降低了工业设计、制作和集成技术的难度，降低了总体造价成本，为平流层飞艇走向工业化应用奠定了基础。

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)

1.一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，包括外囊体、内囊体、葵花形悬挂分隔、底腹龙骨、头锥、尾翼、推进器、太阳能电池、起落架；

所述外囊体为气密性囊体结构，所述外囊体内为空气，由内外气压差保持囊体形态和刚度，并可承受气动载荷，以及囊体外分布式或集中载荷；

所述外囊体内部沿纵向设置多个所述葵花形悬挂分隔，将所述外囊体内部分隔为多个气舱；所述气舱内设置所述内囊体；

所述底腹龙骨位于所述外囊体底腹部，沿纵向设于飞艇主体区段，连接所述外囊体设置的所述葵花形悬挂分隔点位置，可有效传递载荷；

所述头锥设于所述外囊体头部，可局部承受突风和操控载荷；

所述尾翼呈倒Y形布局，为充气尾翼结构，有张线维持其稳定，为所述平流层飞艇的姿态稳定执行器；

所述推进器设于所述外囊体侧面，为所述平流层飞艇提供推力；

所述太阳能电池呈模组化铺设在所述外囊体上部，为所述平流层飞艇提供能源；

所述起落架设于所述底腹龙骨下部，为所述平流层飞艇起落或地面操控提供支撑。

2.如权力要求1所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体为由所述外囊体、前后两端圆形隔布、倒扣圆槽盖形分隔所构成的封闭囊体，所述前后两端圆形隔布的下半圆连接所述外囊体，所述倒扣圆槽盖形分隔的两侧边沿纵向连接所述外囊体。

3.如权力要求2所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体内充盈着轻于空气的浮力工质氦气，所述倒扣圆槽盖形分隔可随氦气充盈率呈肺隔膜呼吸运动，氦气充盈率随飞艇升空或驻空高度控制自适应变化。

4.如权力要求3所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体数量为4～6个，构型一致，可独立或分组联通，通过浮力工质的质量转移实现重心和浮心调整。

5.如权力要求1所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述葵花形悬挂分隔包括帘布、悬挂索；所述帘布上边缘连接所述外囊体，所述帘布下边缘为分段悬链，各分段点为悬挂点连接所述悬挂索；所述悬挂索上端连接所述帘布悬挂点，所述悬挂索下端连接所述外囊体底部。

6.如权力要求5所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述葵花形悬挂分隔数量为3～5个，设置原则为使飞艇纵向传力分配均匀，同时对所述内囊体重心变化进行限制。

7.如权力要求1所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述底腹龙骨为刚性结构，可承受所述飞艇纵向载荷作用弯矩和集中载荷，有效保持所述外囊体低压后整体形态，维持整体刚度。

8.如权力要求7所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述底腹龙骨采用模块化、装配化的轻质复合材料框架结构。

9.如权力要求8所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述轻质复合材料框架结构采用倒T型截面，便于连接所述外囊体。

10.如权力要求1所述的大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，其特征在于，所述头锥设于所述外囊体的头部，为局部承受突风和操控载荷；所述头锥为均匀分布撑条紧密贴于所述外囊体。

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