CN112520007A - 多囊体双重应力结构的平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平流层飞艇技术领域，公开一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇，包括外囊体(1)和内囊体(4)；所述内囊体(4)设置在所述外囊体(1)内，朝向外囊体(1)内表面的内囊体(4)外表面与外囊体(1)保持间隔第一预定距离，使得外囊体(1)和内囊体(4)共同承受飞艇内部和外部的气压差；所述内囊体(4)内填充氦气(6)，内囊体(4)和外囊体(1)之间的空间中填充空气(7)。本发明的平流层飞艇通过调节内外囊体的气压差，就能平衡飞艇的温度和气压。

Description

多囊体双重应力结构的平流层飞艇

技术领域

本发明涉及平流层飞艇技术领域，具体涉及一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇。

背景技术

平流层飞艇具有非常广泛的军事及民用价值，例如在导弹防御、通信、遥感、空间观测和大气测量等方面都具有极大的应用价值。

在平流层环境下，昼间由于太阳的辐射，艇内外气压差过高时，外囊体材料强度达不到容易发生爆裂；夜间温度骤变，艇内外气压差过低或形成负差时会致使飞艇没有足够的艇内气压支撑飞艇的外囊体，致使飞艇艇形发生严重变形并缩小体积而使飞艇坠落。

平流层飞艇对能量平衡、热平衡和浮重平衡的要求非常高，三个平衡之间的关系为耦合关系。能量平衡指的是平流层飞艇动力系统抗风能量以及平流层飞艇系统控制用电和任务载荷用电之和小于等于平流层飞艇太阳能电池发电量和夜间储能电池的储电量。热平衡指的是平流层飞艇昼夜温差的最大差值引起的气体膨胀压力差必须小于等于平流层飞艇承压囊体材料强度(平流层飞艇承压囊体材料变形在最大弹性范围之内)。浮重平衡指的是平流层飞艇在工作高度的浮力等于平流层飞艇内部气体质量及平流层飞艇系统总质量所产生的重力。

为了保持热平衡，通常只采用加强外囊体材料强度的手段提高飞艇抗超压能力。如果昼夜温差和压力相差很大，只依靠外囊体材料强度来抵抗昼夜艇内超温超压轻则外囊体材料使用寿命短，重则可能会造成材料破损引起飞行事故。因此只采用加强外囊体材料强度的手段并不能满足平流层飞艇的要求。

因此，亟需开发一种平流层飞艇，能够依靠外囊体和内囊体相结合抵抗昼夜艇内超温超压。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明的第一方面，本发明公开一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇，包括：外囊体和内囊体；

所述内囊体设置在所述外囊体内，朝向外囊体内表面的内囊体外表面与外囊体保持间隔第一预定距离，使得外囊体和内囊体共同承受飞艇内部和外部的气压差；

所述内囊体内填充氦气，内囊体和外囊体之间的空间中填充空气。

根据本发明的一示例实施方式，所述第一预定距离为5-20厘米。

根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括设置在外囊体上的鼓风机和排出艇内空气的空气阀，所述鼓风机和空气阀相对设置。

根据本发明的一示例实施方式，所述鼓风机设置在飞艇的下部，所述空气阀设置在飞艇的背部。

根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括设置在外囊体和内囊体之间的充/放氦气阀，所述氦气阀用于排出内囊体内部的氦气或充入氦气。

根据本发明的一示例实施方式，所述平流层飞艇还包括帘布和张拉绳，所述帘布设置在外囊体的内表面和内囊体的外表面，所述张拉绳连接外囊体和内囊体上的帘布。

根据本发明的一示例实施方式，所述内囊体为多个，多个内囊体体积之和大于外囊体体积的97％并小于99％。

根据本发明的一示例实施方式，多个内囊体分别沿飞艇轴向依次排布，两个相邻的内囊体之间间隔第二预定距离。

根据本发明的一示例实施方式，所述第二预定距离为0-10厘米。

根据本发明的一示例实施方式，所述外囊体的材料由外向内依次包括外囊体外层镀铝层、外囊体防紫外线涂层、外囊体外层防臭氧涂层、外囊体受力层、外囊体防气体泄露涂层、外囊体内层防臭氧涂层。

根据本发明的一示例实施方式，所述外囊体的材料还包括设置在最内层的外囊体内层镀铝涂层。

根据本发明的一示例实施方式，所述内囊体的材料由外向内依次包括内囊体外层防臭氧涂层、内囊体受力层、内囊体防氦气泄露涂层、内囊体内层镀铝涂层。

根据本发明的一示例实施方式，所述内囊体的材料还包括设置在最外层的内囊体外层镀铝涂层。

本发明的有益效果是：

本发明加强了平流层飞艇在超热超压环境下的抗压能力，在平流层飞艇系统总体顶层设计上可以满足平流层飞艇热平衡的要求，本发明的优越性通过以下几点进行阐述：

1.本发明设置内外囊体，并且距离一定的预定距离，内外囊体通过张拉绳连接，内囊体的气体与外囊体内的气体气压差叠加外囊体内的气体与外囊体外的气体气压差可以明显大于单个的外囊体抗超热超压能力，实现依靠外囊体和内囊体作用抵抗昼夜艇内超温超压。

2.由于外囊体和内囊体之间形成空气阻隔层，进一步减少了外界对于内囊体内的气体传递热量。

3.内囊体和外囊体之间保持一定间隔，使得外囊体内部空气流动性好，易于散热，有利于飞艇的降温。

4.在飞艇上设置鼓风机和空气阀，在艇内温度过高时可以使飞艇内囊体与外囊体之间形成空气对流，将下部的冷空气吸进飞艇外囊体与内囊体之间的空间，由飞艇背部的空气阀将飞艇内部的部分热量排出。

5.飞艇外囊体和内囊体的材料结构使得囊体具有抗压能力、防气体泄露能力、防臭氧能力。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1示出本发明飞艇的结构图。

图2示出外囊体的结构图。

图3示出内囊体的结构图。

其中，1—外囊体，11—外囊体外层镀铝层，12—外囊体防紫外线涂层。 13—外囊体外层防臭氧涂层，14—外囊体受力层，15—外囊体防气体泄露涂层，16—外囊体内层防臭氧涂层，17—外囊体内层镀铝涂层，2—张拉绳， 3—空气阀，4—内囊体，41—内囊体外层镀铝涂层，42—内囊体外层防臭氧涂层，43—内囊体受力层，44—内囊体防氦气泄露涂层，45—内囊体内层镀铝涂层，5—帘布，6—氦气，7—空气，8—充/放氦气阀，9—鼓风机。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

作为本发明的第一种实施方式，本发明的目的在于公开一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇，如图1所示，包括：外囊体1、张拉绳2、空气阀3、内囊体4、帘布5、充/放氦气阀8和鼓风机9。

内囊体4为3个，设置在外囊体1内，沿飞艇轴向依次排布，两个相邻的内囊体4之间(即为两个相邻的内囊体4其相互朝向的外表面)间隔第二预定距离。两个相邻的内囊体4之间可以没有距离，也可以间隔很小的距离，第二预定距离为0-10厘米。多个内囊体4的体积之和大于外囊体 1体积的97％并小于99％。只有内囊体4足够占用外囊体1的体积，才能够与外囊体1相互配合承受昼夜间的温差和压力的变化。帘布5设置在外囊体1的内表面和内囊体4的外表面上，张拉绳2连接外囊体1和内囊体4 上的帘布5，使外囊体1和内囊体4内气体充盈的情况下，朝向外囊体1内表面的内囊体4外表面与外囊体1的内表面保持间隔5-20厘米。如果内囊体4和外囊体1之间的距离小于5厘米、内囊体4的体积之和大于99％的外囊体1的体积，则会影响外囊体1内空气的流动，散热效果不佳。如果内囊体4和外囊体1之间的距离大于20厘米、内囊体4的体积之和小于97％的外囊体1的体积，则会增大空气体积，使飞艇的重力过大，影响飞艇的浮重平衡。

帘布5和张拉绳2用于限定每个内囊体4与外囊体1的相对位置。内囊体4内填充氦气6，内囊体4和外囊体1之间的空间中填充空气7。由于氦气和空气的密度和温度不同，内囊体4内外产生气压差。内囊体4内的氦气对于外囊体1内的空气的内外压差为ΔP₁，外囊体1内的空气对于艇外气体的内外压差为ΔP₂，则：内囊体4内的气体对于艇外气体的内外压差Δ P＝ΔP₁+ΔP₂。现有技术中多为只用外囊体1来承受昼夜的温差和压力，本方案的内外气压差ΔP为内囊体4内压对于外囊体1内压可存在的压差与外囊体1内压对艇外可存在的压差之和，内囊体4为外囊体1分担了部分压力，使得整个飞艇的抗超压能力可以明显大于单个的外囊体抗超压能力，实现依靠外囊体1和内囊体4相互作用抵抗昼夜艇内超温超压。由于外囊体1和内囊体4都要承受一定的力，制作时根据囊体材料的特性以及弹塑变形区间确定受力后的变形形状，通过有限元软件进行仿真确定，然后裁剪制作。

外囊体1上设有向艇外排出空气的空气阀3，空气阀3位于飞艇的背部，也就是飞艇的上部。内囊体4上设有向内囊体4外部排出氦气或充入氦气的充/放氦气阀8。通过调节空气和氦气的排出和充入，可以调节艇内外的气压差。每个内囊体4上均设有充/放氦气阀8，充/放氦气阀8设置在内囊体4和外囊体1之间。充氦气时由外界充入氦气，排放氦气时直接排放出艇外。空气阀3为3个，分别设置在飞艇的背部和尾部。鼓风机9为3个，设置在飞艇的下部，与空气阀3相对，使得飞艇内囊体4与外囊体1之间形成空气对流，鼓风机9将下部的冷空气吸进飞艇外囊体1与内囊体4之间的空间，由飞艇背部和尾部的空气阀3将飞艇内部的部分热量排出。夜间温度降低时，上部的空气阀3关闭，下部的鼓风机9进气，维持艇内外压差，保障飞艇抗风飞行。

如图2所示，外囊体1的材料由外向内依次包括外囊体外层镀铝层11、外囊体防紫外线涂层12、外囊体外层防臭氧涂层13、外囊体受力层14、外囊体防气体泄露涂层15、外囊体内层防臭氧涂层16、外囊体内层镀铝涂层 17。具体应用时，也可以去掉外囊体内层镀铝涂层17。采用镀铝涂层形成金属反射面，可以反射热辐射起到保温作用；采用其他材料能够使外囊体1 具有抗压能力、防空气泄露能力、防臭氧能力和防紫外线能力。

如图3所示，内囊体4的材料由外向内依次包括内囊体外层镀铝涂层 41、内囊体外层防臭氧涂层42、内囊体受力层43、内囊体防氦气泄露涂层 44、内囊体内层镀铝涂层45。具体应用时，也可以去掉内囊体外层镀铝涂层41。采用镀铝涂层形成金属反射面，可以反射热辐射起到保温作用；采用其他材料能够使内囊体4具有抗压能力、防氦气泄露能力和防臭氧能力。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，包括：

外囊体(1)和内囊体(4)；

所述内囊体(4)设置在所述外囊体(1)内，朝向外囊体(1)内表面的内囊体(4)外表面与外囊体(1)保持间隔第一预定距离，使得外囊体(1)和内囊体(4)共同承受飞艇内部和外部的压力差；

所述内囊体(4)内填充氦气(6)，内囊体(4)和外囊体(1)之间的空间中填充空气(7)。

2.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述第一预定距离为5-20厘米。

3.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，还包括设置在外囊体上的鼓风机(9)和空气阀(3)，所述鼓风机(9)和空气阀(3)相对设置。

4.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，还包括帘布(5)和张拉绳(2)，所述帘布设置在外囊体(1)的内表面和内囊体(4)的外表面，所述张拉绳(2)连接外囊体(1)和内囊体(4)上的帘布(5)。

5.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，还包括设置在外囊体(1)和内囊体(4)之间的充/放氦气阀(8)。

6.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体(4)为多个，多个内囊体(4)体积之和大于外囊体(1)体积的97％并小于99％；

多个内囊体(4)分别沿飞艇轴向依次排布，两个相邻的内囊体(4)之间间隔第二预定距离，第二预定距离为0-10厘米。

7.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述外囊体(1)的材料由外向内依次包括外囊体外层镀铝层(11)、外囊体防紫外线涂层(12)、外囊体外层防臭氧涂层(13)、外囊体受力层(14)、外囊体防气体泄露涂层(15)、外囊体内层防臭氧涂层(16)。

8.根据权利要求7所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述外囊体(1)的材料还包括设置在最内层的外囊体内层镀铝涂层(17)。

9.根据权利要求1所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体(4)的材料由外向内依次包括内囊体外层防臭氧涂层(42)、内囊体受力层(43)、内囊体防氦气泄露涂层(44)、内囊体内层镀铝涂层(45)。

10.根据权利要求9所述的多囊体双重应力结构的平流层飞艇，其特征在于，所述内囊体(4)的材料还包括设置在最外层的内囊体外层镀铝涂层(41)。

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