CN116729618A - 一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法，涉及飞艇技术领域，飞艇包括囊体、气囊骨架、尾翼和风机系统，所述气囊骨架设置于所述囊体内，用于在充气后形成对所述囊体的结构支撑并维持所述囊体的外形，所述尾翼设置于所述囊体尾部，所述气囊骨架和所述尾翼均与所述风机系统连接，所述气囊骨架和所述尾翼通过所述风机系统能够进行充放气。操控方法包括飞艇装配阶段、飞艇升空阶段、飞艇遇超冷环境而失压、飞艇降落阶段。本发明能够可靠地实现平流层飞艇维持基本形状，并能够减少地面集成、升空、失压和降落阶段设备或结构划伤囊体的可能性，同时还能够提高下降过程的稳定性。

Description

一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法

技术领域

本发明涉及飞艇技术领域，特别是涉及一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法。

背景技术

飞艇从结构上可以分为硬式飞艇、半硬式飞艇和软式飞艇。软式飞艇不同于传统硬式飞艇，其外壳材料采用柔性材料，例如聚氨酯、尼龙、涤纶等，以替代传统的金属结构骨架。这种设计可以减轻飞艇的整体重量，避免金属骨架所带来的重量负担，从而提高软式飞艇的升力能力和搭载重量容量。由于软式飞艇无需使用金属骨架作为支撑，因此可以实现更轻量化的设计。同时，由于采用超压形式维持飞艇的形状，避免了传统硬式飞艇由金属骨架支撑而导致的重量增加的问题。然而，由于软式飞艇的外形主要受内部气体的压力控制，因此在使用过程中，其外形可能会随着内部气体压力的变化而发生相应的变化。

软式飞艇的地面装配阶段相对于其他类型的飞艇而言，更为复杂繁琐，同时囊体在这个过程中存在被划破的风险。软式飞艇的起飞阶段大多数情况下是半成型的，这种状态下飞艇容易出现振动、来风、以及姿态变化过大等情况，这些都有可能导致搭载在飞艇上的其他设备划破囊体。此外，在飞行过程中，软式飞艇也有可能遭遇超冷失压的情况，进而导致设备划伤囊体的风险。通过采用一些措施来保持软式飞艇外形不变，可以有效解决设备划伤软式飞艇囊体的问题。

目前，在平流层飞艇的降落阶段，常见的做法是采用囊体爆破开口泄气的方式，但这种方法会导致飞艇的外形迅速变形，降落地点难以精确控制，降落速度较快，从而容易导致搭载设备的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够可靠地实现平流层飞艇维持基本形状，并能够减少地面集成、升空、失压和降落阶段设备或结构划伤囊体的可能性，同时还能够提高下降过程的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种可维形的软式平流层飞艇，包括囊体、气囊骨架、尾翼和风机系统，所述气囊骨架设置于所述囊体内，用于在充气后形成对所述囊体的结构支撑并维持所述囊体的外形，所述尾翼设置于所述囊体尾部，所述气囊骨架和所述尾翼均与所述风机系统连接，所述气囊骨架和所述尾翼通过所述风机系统能够进行充放气。

优选地，所述气囊骨架包括依次连接的前部气囊骨架、中部气囊骨架和后部气囊骨架，所述前部气囊骨架包括头部网状气囊骨架和与所述头部网状气囊骨架连接的第一圆环气囊组，所述第一圆环气囊组包括多个依次连接的第一圆环气囊；所述中部气囊骨架包括第二圆环气囊组，所述第二圆环气囊组包括多个依次连接的第二圆环气囊；所述后部气囊骨架包括尾部网状气囊骨架和与所述尾部网状气囊骨架连接的第三圆环气囊组，所述第三圆环气囊组包括多个依次连接的第三圆环气囊；所述头部网状气囊骨架、所述第一圆环气囊组、所述第二圆环气囊组、所述第三圆环气囊组和所述尾部网状气囊骨架由头至尾依次连接并连通。

优选地，所述前部气囊骨架支撑所述囊体头部至所述囊体中轴线30％的区域，所述中部气囊骨架支撑所述囊体中轴线30％至70％的区域，所述后部气囊骨架支撑所述囊体中轴线70％至所述囊体尾端的区域。

优选地，所述囊体和所述气囊骨架的材质相同。

优选地，所述风机系统包括风机、第一气管、第二气管、气囊骨架阀门和尾翼阀门，所述风机设置于风机舱内，所述第一气管连接所述风机与所述气囊骨架，所述第二气管连接所述风机与所述尾翼，所述气囊骨架阀门设置于所述第一气管上，所述尾翼阀门设置于所述第二气管上。

优选地，所述前部气囊骨架与所述中部气囊骨架的交界处以及所述中部气囊骨架与所述后部气囊骨架的交界处均设置一个交界圆环气囊，所述交界圆环气囊的切面半径大于所述第一圆环气囊、所述第二圆环气囊和所述第三圆环气囊的切面半径。

一种以上所述的可维形的软式平流层飞艇的操控方法，包括：

飞艇装配阶段：先完成飞艇顶部及其他位置的设备和线缆装配，启动风机系统向气囊骨架内充气，在气囊骨架逐渐膨胀过程中，通过控制充气速度，时刻监测气囊骨架的状态，并根据实际装配需求随时暂停充气，使用当前飞艇整体状态来调整艇体周围的设备及线缆的位置和紧固程度，直至气囊骨架完全成型后，对飞艇底部设备进行集成工作；

飞艇升空阶段：起飞前，气囊骨架保持为充气状态，基于浮重平衡和盈余浮力，向囊体内充入相应的氦气，无需充满整个囊体，使其浮力大于重力，满足放飞条件，在升空过程中，不断地打开/关闭囊体自身的阀门及气囊骨架阀门，进行压差控制，气囊骨架逐渐放气，在上升过程中与囊体共同维持飞艇外形，直至囊体自身能够维形后，关闭囊体阀门，飞艇缓慢上升，气囊骨架阀门持续开启至气囊骨架内气体放气完毕；

飞艇遇超冷环境而失压：当研判飞艇可能遭遇超冷环境时，提前启动风机系统，打开气囊骨架阀门，往气囊骨架中充入气体，气囊骨架逐渐膨胀，直至能够维持飞艇形状，充气完毕后关闭气囊骨架阀门，停止向气囊骨架内充气；

飞艇降落阶段：在降落前应当做好维形准备，不断往气囊骨架充气，使得气囊骨架逐渐膨胀，直至能够承担维形任务，同时打开囊体自身阀门，逐渐放出氦气，使得飞艇保持一定的外形下降，保证飞艇具备一定的控制能力，以便预测飞艇的降落位置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法，通过在囊体内设置可充放气的气囊骨架，在囊体尾部设置可充放气的尾翼，将气囊骨架和尾翼均与风机系统连接以进行充放气控制，能够可靠地实现平流层飞艇维持基本形状，并能够减少地面集成、升空、失压和降落阶段设备或结构划伤囊体的可能性，同时还能够提高下降过程的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的可维形的软式平流层飞艇的结构示意图；

图2为本发明中气囊骨架的结构示意图；

图3为本发明中风机系统的结构示意图；

图中：1-囊体、2-尾翼、3-前部气囊骨架、4-中部气囊骨架、5-后部气囊骨架、6-第一圆环气囊、7-第二圆环气囊、8-第三圆环气囊、9-第一气管、10-第二气管、11-气囊骨架阀门、12-尾翼阀门、13-风机舱、14-交界圆环气囊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可维形的软式平流层飞艇及操控方法，以解决现有技术存在的问题，能够可靠地实现平流层飞艇维持基本形状，并能够减少地面集成、升空、失压和降落阶段设备或结构划伤囊体的可能性，同时还能够提高下降过程的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图3所示，本实施例提供一种可维形的软式平流层飞艇，包括囊体1、气囊骨架、尾翼2和风机系统，气囊骨架设置于囊体1内，用于在充气后形成对囊体1的结构支撑并维持囊体1的外形，尾翼2设置于囊体1尾部，气囊骨架和尾翼2均与风机系统连接，气囊骨架和尾翼2通过风机系统能够进行充放气。

本实施例中，气囊骨架包括依次连接的前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5，前部气囊骨架3包括头部网状气囊骨架和与头部网状气囊骨架连接的第一圆环气囊组，第一圆环气囊组包括多个依次连接的第一圆环气囊6；中部气囊骨架4包括第二圆环气囊组，第二圆环气囊组包括多个依次连接的第二圆环气囊7；后部气囊骨架5包括尾部网状气囊骨架和与尾部网状气囊骨架连接的第三圆环气囊组，第三圆环气囊组包括多个依次连接的第三圆环气囊8；头部网状气囊骨架、第一圆环气囊组、第二圆环气囊组、第三圆环气囊组和尾部网状气囊骨架由头至尾依次连接并连通。所有气囊均以上、下、左、右四个方向进行连接，以保证气体在整个气囊骨架中的自由流动。

本实施例中，前部气囊骨架3支撑囊体1头部至囊体1中轴线30％的区域，中部气囊骨架4支撑囊体1中轴线30％至70％的区域，后部气囊骨架5支撑囊体1中轴线70％至囊体1尾端的区域。

本实施例中，囊体1和气囊骨架的材质相同。气囊骨架通过边缘焊接的方式固定在囊体1内表面。

本实施例中，风机系统包括风机、第一气管9、第二气管10、气囊骨架阀门11和尾翼阀门12，风机设置于风机舱13内，第一气管9连接风机与气囊骨架，第二气管10连接风机与尾翼2，气囊骨架阀门11设置于第一气管9上，尾翼阀门12设置于第二气管10上。气囊骨架阀门11用于控制气体在风机和内置气囊骨架间的流动，以实现内置气囊骨架的充放气。尾翼阀门12用于控制气体在风机和尾翼2间的流动，以实现尾翼2的充放气。

本实施例中，前部气囊骨架3与中部气囊骨架4的交界处以及中部气囊骨架4与后部气囊骨架5的交界处均设置一个交界圆环气囊14，交界圆环气囊14的切面半径大于第一圆环气囊6、第二圆环气囊7和第三圆环气囊8的切面半径。交界圆环气囊14处于飞艇维形的重要位置，通过增大圆环气囊切面半径来提高该处气囊骨架的维形可靠性。

本发明中内置可充放气的气囊骨架是本发明的核心组件，可以实现飞艇的形状控制和结构支撑。风机系统主要包含风机、气管和阀门等部件，通过协同工作可实现气囊骨架内气体的充放和压力调节。囊体1作为飞艇结构的主体，是实现驻空飞行的平台载体；尾翼2则作为囊体1的补充，具备调节平衡和控制方向的功能，需要具备足够优秀的材料性能。

当不需要气囊骨架来维持飞艇整体外形时，存在两种工况，分别为：①气囊骨架已充满气体：保证风机关闭，打开气囊骨架阀门11，释放内部气体，此时前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5的气体逐渐排出，气囊骨架逐渐缩小，结束后关闭气囊骨架阀门11，保持气囊骨架阀门11关闭。②气囊骨架未充气体：未充气体时，前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5一直处于瘪态，应保证风机关闭，保持气囊骨架阀门11关闭状态。当尾翼2需要充气时，打开尾翼阀门12，启动风机，往尾翼2鼓气，结束后关闭风机、关闭尾翼阀门12。当尾翼2压差过高需要放气时，保证风机关闭，打开尾翼阀门12，到指定压差后关闭尾翼阀门12。

一种以上所述的可维形的软式平流层飞艇的在不同的应用场景中，其操控方法如下：

①软式飞艇装配阶段

在软式飞艇在装配过程中，飞艇处于未充气状态，整体放置于放飞场上，囊体1无填充氦气。由于飞艇尺寸较大，集成装配人员难以进行飞艇底部吊舱内设备的安装。同时，电系统大部分设备均放置于飞艇底部，线缆的集成也是个难题。采用可充放气的气囊骨架可以有效解决这些问题。先完成飞艇顶部及其他位置的设备和线缆装配，然后通过抬升气囊骨架充放气接口段的囊体部分，即第一气管9和气囊骨架阀门11并连接风机。控制打开气囊骨架阀门11，启动风机开始充气，前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5逐渐膨胀，飞艇囊体1逐步变大成型。在气囊骨架逐渐膨胀过程中，可通过控制充气速度，时刻监测前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5的状态，并根据实际装配需求随时暂停充气，使用当前飞艇整体状态来调整艇体周围的设备及线缆的位置和紧固程度等。直至飞艇气囊骨架完全成型后，可对飞艇底部设备进行集成工作。使用可充放气的气囊骨架减少了因人员踩踏而造成囊体1损坏及减小囊体1遮盖人员导致窒息的风险。

②飞艇升空阶段

可充放气的气囊骨架在装配阶段已经完成充气。起飞前，基于浮重平衡和盈余浮力，向囊体1内充入相应的氦气，无需充满整个囊体1，其浮力大于重力，满足放飞条件即可。若无气囊骨架支撑，则整个飞艇处于非成型状态，只能以非成型形态放飞。因此，在放飞前，气囊骨架应保持为充气状态。在升空过程中，由于飞艇上升速度较快，其外界气压变化也较大，需要打开囊体1自身的阀门及气囊骨架阀门11，放出囊体1内部气体和气囊骨架内气体，避免因升空速度过大而出现囊体/气囊骨架破裂的情况。升空阶段，需要不断地打开/关闭阀门，完成压差控制。囊体1由于压差逐渐增大，内部气体逐渐膨胀，慢慢具备撑起维形的任务，与气囊骨架配合，气囊骨架逐渐放气，保证上升过程中能与囊体1共同维持飞艇外形，直至囊体1自身能够维形后，关闭囊体阀门，飞艇缓慢上升，气囊骨架阀门11持续开启至气囊骨架内气体放气完毕，此时气囊骨架呈瘪态。

③飞艇遇超冷环境而失压

飞艇在飞行过程中，存在遇到极端环境的可能。例如遇到超冷情况，囊体1内部氦气失压，从而导致浮力小于重力，使得飞艇存在高度骤降的可能。当飞艇高度骤降时，由于囊体1失压，整个飞艇不成型，从而可能会存在设备及结构划伤囊体1的风险。因此，当研判飞艇可能遭遇超冷环境时，应提前启动风机，打开气囊骨架阀门11，往气囊骨架中充入气体，气囊骨架逐渐膨胀，直至能够维持飞艇形状。充气完毕后关闭气囊骨架阀门11，关闭风机。如此可以减少飞艇高度骤降导致囊体1损坏的风险。

④飞艇降落阶段

在飞艇降落过程中，通常需要通过爆破装置切割囊体1或者通过打开囊体自身氦气阀门等操作来实现降落。然而，此类操作均会导致飞艇整体失去外形，从而失去控制能力，难以准确地预测飞艇降落位置。因此在降落前应当做好维形准备，不断往气囊骨架充气，使得前部气囊骨架3、中部气囊骨架4和后部气囊骨架5逐渐膨胀，直至能够承担维形任务。同时打开囊体1自身氦气阀门，逐渐放出氦气，使得飞艇保持一定的外形下降，保证飞艇具备一定的控制能力，以便预测飞艇的降落位置。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：包括囊体、气囊骨架、尾翼和风机系统，所述气囊骨架设置于所述囊体内，用于在充气后形成对所述囊体的结构支撑并维持所述囊体的外形，所述尾翼设置于所述囊体尾部，所述气囊骨架和所述尾翼均与所述风机系统连接，所述气囊骨架和所述尾翼通过所述风机系统能够进行充放气。

2.根据权利要求1所述的可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：所述气囊骨架包括依次连接的前部气囊骨架、中部气囊骨架和后部气囊骨架，所述前部气囊骨架包括头部网状气囊骨架和与所述头部网状气囊骨架连接的第一圆环气囊组，所述第一圆环气囊组包括多个依次连接的第一圆环气囊；所述中部气囊骨架包括第二圆环气囊组，所述第二圆环气囊组包括多个依次连接的第二圆环气囊；所述后部气囊骨架包括尾部网状气囊骨架和与所述尾部网状气囊骨架连接的第三圆环气囊组，所述第三圆环气囊组包括多个依次连接的第三圆环气囊；所述头部网状气囊骨架、所述第一圆环气囊组、所述第二圆环气囊组、所述第三圆环气囊组和所述尾部网状气囊骨架由头至尾依次连接并连通。

3.根据权利要求2所述的可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：所述前部气囊骨架支撑所述囊体头部至所述囊体中轴线30％的区域，所述中部气囊骨架支撑所述囊体中轴线30％至70％的区域，所述后部气囊骨架支撑所述囊体中轴线70％至所述囊体尾端的区域。

4.根据权利要求1所述的可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：所述囊体和所述气囊骨架的材质相同。

5.根据权利要求1所述的可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：所述风机系统包括风机、第一气管、第二气管、气囊骨架阀门和尾翼阀门，所述风机设置于风机舱内，所述第一气管连接所述风机与所述气囊骨架，所述第二气管连接所述风机与所述尾翼，所述气囊骨架阀门设置于所述第一气管上，所述尾翼阀门设置于所述第二气管上。

6.根据权利要求2所述的可维形的软式平流层飞艇，其特征在于：所述前部气囊骨架与所述中部气囊骨架的交界处以及所述中部气囊骨架与所述后部气囊骨架的交界处均设置一个交界圆环气囊，所述交界圆环气囊的切面半径大于所述第一圆环气囊、所述第二圆环气囊和所述第三圆环气囊的切面半径。

7.一种权利要求1～6中任一项所述的可维形的软式平流层飞艇的操控方法，其特征在于，包括：

飞艇装配阶段：先完成飞艇顶部及其他位置的设备和线缆装配，启动风机系统向气囊骨架内充气，在气囊骨架逐渐膨胀过程中，通过控制充气速度，时刻监测气囊骨架的状态，并根据实际装配需求随时暂停充气，使用当前飞艇整体状态来调整艇体周围的设备及线缆的位置和紧固程度，直至气囊骨架完全成型后，对飞艇底部设备进行集成工作；

飞艇升空阶段：起飞前，气囊骨架保持为充气状态，基于浮重平衡和盈余浮力，向囊体内充入相应的氦气，无需充满整个囊体，使其浮力大于重力，满足放飞条件，在升空过程中，不断地打开/关闭囊体自身的阀门及气囊骨架阀门，进行压差控制，气囊骨架逐渐放气，在上升过程中与囊体共同维持飞艇外形，直至囊体自身能够维形后，关闭囊体阀门，飞艇缓慢上升，气囊骨架阀门持续开启至气囊骨架内气体放气完毕；

飞艇遇超冷环境而失压：当研判飞艇可能遭遇超冷环境时，提前启动风机系统，打开气囊骨架阀门，往气囊骨架中充入气体，气囊骨架逐渐膨胀，直至能够维持飞艇形状，充气完毕后关闭气囊骨架阀门，停止向气囊骨架内充气；

飞艇降落阶段：在降落前应当做好维形准备，不断往气囊骨架充气，使得气囊骨架逐渐膨胀，直至能够承担维形任务，同时打开囊体自身阀门，逐渐放出氦气，使得飞艇保持一定的外形下降，保证飞艇具备一定的控制能力，以便预测飞艇的降落位置。