CN113277058A - 基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法 - Google Patents

Abstract

基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法，包括气囊、龙骨骨架、吊舱、柔性太阳能电池和柔性电加热器；龙骨骨架设置在气囊内部，用于支撑气囊；龙骨骨架的材质均为形状记忆合金材料；柔性太阳能电池包覆在气囊外表面；柔性电加热器用于向龙骨骨架进行加热；吊舱设置在气囊底部，吊舱内放置有蓄电池，蓄电池分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。本发明采用形状记忆合金材料作为飞艇的龙骨骨架，有效利用形状记忆合金在变温状态下的单程或双程记忆特性，通过对龙骨骨架进行控温，即可实现飞艇的变体，进而实现飞艇升空、姿态调整以及回收等。在飞艇变体过程中，有效利用太阳能作为功能装置，从而大幅减轻飞艇重量。

Description

基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法

技术领域

本发明涉及浮空器领域，特别是一种基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法。

背景技术

飞艇属于浮空器的一种，是利用轻于空气的气体来提供升力的航空器，一般由流线型艇体、携带负载的吊舱、起稳定控制作用的尾翼以及推进装置组成。一般从结构上看，飞艇可分为三种类型：硬式飞艇、半硬式飞艇和软式飞艇。

有关负压或者真空飞艇的想法早在17世纪70年代就有人提出，美国的Charles PBurgess在1927年提出，基于当时的材料科学发展水平，无法实现真空气球或真空飞艇设计制造。负压飞艇囊体内外存在压差，利用囊体内气体密度低于大气密度产生浮力，维持飞艇悬浮或者使飞艇上升。负压飞艇使用硬质固体材料，主要承受的是压力或是压变力，随着高强度低密度材料技术的发展，真空气球、真空飞艇或负压飞艇的想法也有了走向现实的可能。

变体飞艇是在20世纪末提出理论和开展相关科学实验的，其囊体容积能够根据需要进行可控或自适变化，其净静升力无需利用副囊空气进行调节，在现有囊体材料研究条件下，可显著降低飞艇进入平流层或者更大高度的难度。

现有变体飞艇的变形，主要是依靠电机驱动伸缩支架的伸缩运动实现的。这种变体方式，存在着不足，有待进行改进：

1、电机和伸缩支架，所占用空间大，重量重，所需升力大。

2、电机的电能主要由变体飞艇携带的蓄电池提供。为完成任务执行及回收，蓄电池需要较大蓄电容量，故而会增加蓄电池体积和重量，进而增加飞艇重量，所需升力加大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法，该基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇及控制方法采用形状记忆合金材料作为飞艇的龙骨骨架，有效利用形状记忆合金在变温状态下的单程或双程记忆特性，通过对龙骨骨架进行控温，即可实现飞艇的变体，进而实现飞艇升空、姿态调整以及回收等。在飞艇变体过程中，有效利用太阳能作为功能装置，从而大幅减轻飞艇重量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，包括气囊、龙骨骨架、吊舱、柔性太阳能电池和柔性电加热器。

龙骨骨架设置在气囊内部，用于支撑气囊；龙骨骨架的材质均为形状记忆合金材料。

柔性太阳能电池包覆在气囊外表面。

柔性电加热器用于向龙骨骨架进行加热。

吊舱设置在气囊底部，吊舱内放置有蓄电池，蓄电池分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

龙骨骨架的材质均为NiTi-02形状记忆合金材料。

还包括水箱和水冷管；水冷管与水箱相连接，用于冷却龙骨骨架；水箱放置在吊舱中。

水冷管和柔性电加热器沿周向交错布设在龙骨骨架的外周。

柔性太阳能电池朝向气囊的一侧设置有隔热层。

龙骨骨架包括横向支撑杆、若干个十字支撑架和若干个圆环；横向支撑杆位于负压变体飞艇的中心轴线上，若干个圆环沿轴向均匀套设在横向支撑杆外周；每个圆环均通过一个十字支撑架与横向支撑杆相连接；若干个圆环的直径从中间向两侧逐渐递减。

还包括温度控制器，温度控制器分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

龙骨骨架为中空结构，柔性电加热器内置在龙骨骨架的中空腔内。

基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇的控制方法，包括如下步骤。

步骤1、飞艇悬浮：负压变体飞艇通过运载器携带或地面直接发射的方式，进行变体升空，并悬浮在空中；其中，负压变体飞艇的变体悬浮过程为：柔性电加热器对龙骨骨架进行加热，并使龙骨骨架的温度超过自身形状记忆合金材料的变态温度；龙骨骨架发生伸长形变，使得气囊体积发生膨胀，并在气囊内形成负压环境；由于气囊内气体密度小于大气密度，产生浮力，负压变体飞艇悬浮在空中。

步骤2、飞艇供能：负压变体飞艇悬浮在空中的同时，位于气囊外周的柔性太阳能电池接受光照，吸收太阳能；一部分太阳能对负压变体飞艇的用电设备直接供能，剩余太阳能转化为电能储存在蓄电池中，以供夜晚或光照不足时作为备用电源使用；在飞艇供能过程中，柔性太阳能电池背部形成隔热阻挡层，防止太阳光照穿透气囊，对龙骨骨架加热。

步骤3、飞艇姿态调整：当飞艇需要上升、下降或转向时，通过温度控制器，对龙骨骨架进行局部变温，使飞艇局部变体，气囊体积发生变化，进而调节负压变体飞艇浮力，改变负压变体飞艇的姿态。

步骤4、飞艇回收：通过温度控制器，先对龙骨骨架前端和尾端的形状记忆合金材料停止加热或降温，接着从两端向中间依次对龙骨骨架的形状记忆合金材料停止加热或降温，形成从两端向中间的局部降温，使飞艇前端和尾端的龙骨骨架先收缩，气囊体积缩小，负压变体飞艇浮力减小，高度下降；接着，从两端向中间，龙骨骨架依次渐缩，使得气囊体积逐渐缩小，负压变体飞艇的浮力逐渐减小，高度逐渐降低，直至定点回收。

步骤1中，形状记忆合金材料的变态温度为80°。

本发明具有如下有益效果：

1、采用形状记忆合金材料作为飞艇的龙骨骨架，有效利用形状记忆合金在变温状态下的单程或双程记忆特性，通过对龙骨骨架进行控温，即可实现飞艇的变体，进而实现飞艇升空、姿态调整以及回收等。形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料，是一种在一定温度范围内发生塑性形变后，在另一温度范围又能恢复原来宏观形状的特殊金属材料，主要是镍钛合金材料。

形状记忆合金弯曲量大，塑性高，当温度达到某一数值时，材料内部的晶体结构会发生改变，从而导致外形变化。形状记忆合金可分为三种：单程记忆效应，双程记忆效应和全程记忆效应。

单程记忆效应的形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，形状记忆现象只在加热过程中存在；双程记忆效应的形状记忆合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状；全程记忆效应的形状记忆合金加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状。

2、在飞艇变体过程中，有效利用太阳能作为功能装置，从而大幅减轻飞艇重量。柔性太阳能电池是薄膜太阳能电池的一种，利用紫外光照射金属表面发生光电效应，将太阳光转换为电压和电流，进行光电转换，将太阳能转化为电能。

附图说明

图1显示了本发明基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇的结构示意图。

图2显示了柔性电加热器包覆在龙骨骨架外周时的结构示意图。

图3显示了柔性电加热器内置在龙骨骨架中空腔时的结构示意图。

图4显示了柔性电加热器和水冷管沿周向交错包覆在龙骨骨架外周时的结构示意图。

图5显示了柔性电加热器和水冷管沿周向交错内置在龙骨骨架中空腔时的结构示意图。

图6显示了包覆有柔性太阳能电池的气囊的剖面图。

图7显示了龙骨骨架前端变温收缩后的示意图。

其中有：

10.气囊；11.尾翼；12.蒙皮；13.密封镀层；

20.龙骨骨架；21.横向支撑杆；22.十字支撑架；23.圆环；

30.吊舱；

40.柔性太阳能电池；41.隔热层；

50.柔性加热器；51.水冷管。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1至图7所示，基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，包括气囊10、龙骨骨架20、吊舱30、柔性太阳能电池40、柔性电加热器50、温度控制器、水箱和水冷管51。

龙骨骨架设置在气囊内部，用于支撑气囊；龙骨骨架的材质均为形状记忆合金材料，进一步优选为NiTi-02形状记忆合金材料，其变态温度为80°左右。

龙骨骨架优选包括横向支撑杆21、若干个十字支撑架22和若干个圆环23；横向支撑杆位于负压变体飞艇的中心轴线上，若干个圆环沿轴向均匀套设在横向支撑杆外周；每个圆环均通过一个十字支撑架与横向支撑杆相连接；若干个圆环的直径从中间向两侧逐渐递减。

吊舱设置在气囊底部，吊舱内放置有蓄电池，蓄电池分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

柔性太阳能电池包覆在气囊外表面，也即包覆在蒙皮12表面。

如图6所示，飞艇对蒙皮密封性要求较高，需要在囊体内部营造负压环境，可以通过在囊体表面设置密封镀层13。密封镀层优选为镀铝、硅或其氧化物等，进而提高蒙皮的气密性。

本申请中的飞艇为无需氦气的负压飞艇，在选用蒙皮材料时可以不考虑其抗渗透性，无需阻氦层，降低了飞艇囊体材料的重量。

气囊的尾部设置有尾翼11。

上述柔性太阳能电池用以接收太阳能，为飞艇控制、骨架温控、变体等提供能源，也可以结合蓄电池储能，在夜晚或是光照不足提供能源，能够完成长时间高空作业任务；同时蒙皮表面的柔性薄膜太阳能电池可以遮阳，避免背阳和向阳带来的温度差异对艇体骨架温度控制产生影响。进一步，柔性太阳能电池朝向气囊的一侧设置有隔热层41，进一步避免背阳和向阳带来的温度差异对艇体骨架温度控制产生影响。

另外，柔性太阳能电池性能优良、成本低廉，节省飞艇上的能源消耗，可进一步降低飞艇成本。

柔性电加热器用于向龙骨骨架进行加热，优选具有如下两种优选布设方式：

布设方式一：如图2所示，柔性电加热器包覆在龙骨骨架外周。

布设方式二：如图3所示，龙骨骨架为中空结构，柔性电加热器内置在龙骨骨架的中空腔内。

上述柔性电加热器的加热原理：在高空，利用柔性电加热器维持艇体膨胀，当需要收缩艇体、下降高度时，只需关闭加热器即可，利用环境温度进行降温。

当采用其他形状记忆合金材料或需快速精确调温时，则需要额外增加制冷装置调节温度，如在吊舱中增加水箱，在骨架结构上增加水冷管。

上述水冷管与水箱相连接，用于冷却龙骨骨架，优选具有如下两种优选布设方式：

布设方式一：如图4所示，水冷管和柔性电加热器沿周向交错布设在龙骨骨架的外周。

布设方式二：如图5所示，龙骨骨架为中空结构，水冷管和柔性电加热器沿周向交错内置在龙骨骨架的中空腔内。

上述温度控制器分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

飞艇骨架采用形状记忆合金材料并带有柔性电加热器以及温度控制器，利用形状记忆合金的双程记忆效应，通过调节温度使骨架结构产生形变，改变飞艇囊体体积，使囊体内气体密度发生变化，改变飞艇浮力。

基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇的控制方法，包括如下步骤。

步骤1、飞艇悬浮。

飞艇非工作停飞时间处于折叠状态，占用体积小，方便储藏，日常保养维护成本较低。飞艇折叠状态下可被运载器携带升空，或是从地面自行升空。

负压变体飞艇通过运载器携带或地面直接发射的方式，进行变体升空，并悬浮在空中；其中，负压变体飞艇的变体悬浮过程为：柔性电加热器对龙骨骨架进行加热，并使龙骨骨架的温度超过自身形状记忆合金材料的变态温度；龙骨骨架发生伸长形变，使得气囊体积发生膨胀，并在气囊内形成负压环境；由于气囊内气体密度小于大气密度，产生浮力，负压变体飞艇悬浮在空中。

当从地面自行升空时，负压变体飞艇直接变体升空。

当有应急需要时，可采用运载火箭、飞机等运载器携带升空、抛射的方式，然后再通过加热器调节温度，使得飞艇完成变体操作，快速到达任务地点。

步骤2、飞艇供能：负压变体飞艇悬浮在空中的同时，位于气囊外周的柔性太阳能电池接受光照，吸收太阳能；一部分太阳能对负压变体飞艇的用电设备直接供能，剩余太阳能转化为电能储存在蓄电池中，以供夜晚或光照不足时作为备用电源使用；在飞艇供能过程中，柔性太阳能电池背部形成隔热阻挡层，防止太阳光照穿透气囊，对龙骨骨架加热。

步骤3、飞艇姿态调整：当飞艇需要上升、下降或转向时，通过温度控制器，对龙骨骨架进行局部变温，使飞艇局部变体，气囊体积发生变化，进而调节负压变体飞艇浮力，改变负压变体飞艇的姿态。

步骤4、飞艇回收：通过温度控制器，先对龙骨骨架前端和尾端的形状记忆合金材料停止加热或降温，接着从两端向中间依次对龙骨骨架的形状记忆合金材料停止加热或降温，形成从两端向中间的局部降温，使飞艇前端和尾端的龙骨骨架先收缩，气囊体积缩小，负压变体飞艇浮力减小，高度下降，如图7所示；接着，从两端向中间，龙骨骨架依次渐缩，使得气囊体积逐渐缩小，负压变体飞艇的浮力逐渐减小，高度逐渐缓慢降低，直至定点回收。当然，也可通过悬浮航空器（旋翼机，无人机）定位连接，飞艇快速变体收缩后，抓取收回舱内，快速回收。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：包括气囊、龙骨骨架、吊舱、柔性太阳能电池和柔性电加热器；

龙骨骨架设置在气囊内部，用于支撑气囊；龙骨骨架的材质均为形状记忆合金材料；

柔性太阳能电池包覆在气囊外表面；

柔性电加热器用于向龙骨骨架进行加热；

吊舱设置在气囊底部，吊舱内放置有蓄电池，蓄电池分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：龙骨骨架的材质均为NiTi-02形状记忆合金材料。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：还包括水箱和水冷管；水冷管与水箱相连接，用于冷却龙骨骨架；水箱放置在吊舱中。

4.根据权利要求3所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：水冷管和柔性电加热器沿周向交错布设在龙骨骨架的外周。

5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：柔性太阳能电池朝向气囊的一侧设置有隔热层。

6.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：龙骨骨架包括横向支撑杆、若干个十字支撑架和若干个圆环；横向支撑杆位于负压变体飞艇的中心轴线上，若干个圆环沿轴向均匀套设在横向支撑杆外周；每个圆环均通过一个十字支撑架与横向支撑杆相连接；若干个圆环的直径从中间向两侧逐渐递减。

7.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：还包括温度控制器，温度控制器分别与柔性太阳能电池和柔性电加热器相连接。

8.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇，其特征在于：龙骨骨架为中空结构，柔性电加热器内置在龙骨骨架的中空腔内。

9.基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、飞艇悬浮：负压变体飞艇通过运载器携带或地面直接发射的方式，进行变体升空，并悬浮在空中；其中，负压变体飞艇的变体悬浮过程为：柔性电加热器对龙骨骨架进行加热，并使龙骨骨架的温度超过自身形状记忆合金材料的变态温度；龙骨骨架发生伸长形变，使得气囊体积发生膨胀，并在气囊内形成负压环境；由于气囊内气体密度小于大气密度，产生浮力，负压变体飞艇悬浮在空中；

步骤2、飞艇供能：负压变体飞艇悬浮在空中的同时，位于气囊外周的柔性太阳能电池接受光照，吸收太阳能；一部分太阳能对负压变体飞艇的用电设备直接供能，剩余太阳能转化为电能储存在蓄电池中，以供夜晚或光照不足时作为备用电源使用；在飞艇供能过程中，柔性太阳能电池背部形成隔热阻挡层，防止太阳光照穿透气囊，对龙骨骨架加热；

步骤3、飞艇姿态调整：当飞艇需要上升、下降或转向时，通过温度控制器，对龙骨骨架进行局部变温，使飞艇局部变体，气囊体积发生变化，进而调节负压变体飞艇浮力，改变负压变体飞艇的姿态；

步骤4、飞艇回收：通过温度控制器，先对龙骨骨架前端和尾端的形状记忆合金材料停止加热或降温，接着从两端向中间依次对龙骨骨架的形状记忆合金材料停止加热或降温，形成从两端向中间的局部降温，使飞艇前端和尾端的龙骨骨架先收缩，气囊体积缩小，负压变体飞艇浮力减小，高度下降；接着，从两端向中间，龙骨骨架依次渐缩，使得气囊体积逐渐缩小，负压变体飞艇的浮力逐渐减小，高度逐渐降低，直至定点回收。

10.根据局权利要求9所述的基于形状记忆合金温控变形的负压变体飞艇的控制方法，其特征在于：步骤1中，形状记忆合金材料的变态温度为80°。

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