CN1359827A - 能安全使用氢气、并能控制其升降的硬壳气球、飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能安全使用氢气,并能控制其升降的硬壳气球、飞艇。特别是公开了一种专用于硬壳气球、飞艇,并能广泛应用于船身、潜艇、车厢等大型承力壳体制造的“多层层合、中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。该壳体为无框架多层层合结构,其中间施力壳层能以材料弹性变形回复力的方式,施力作用于高弹模材料外壳层,使之在壳内外等压状况下始终处于受拉张紧的“理想受力状态”并以此所获得的张力,实现抵抗壳体受力变形之目的,避免“薄壳受压屈曲稳定”问题。

Description

能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇

本发明涉及空中运载工具；特别涉及一种能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇，及其制造方法，使用方法。

气球、飞艇是极具开发潜力的空中运载工具。众所周知：气球、飞艇只有向大型化、巨型化发展，即运载能力达到几十吨，几百吨时，在工业、商业、军事科技、广播通讯等众多领域，才真正具备实用价值。

以目前使用较为广泛的软壳类的热气球，充氢充氦飞艇向大型化、巨型化发展是不现实的。因为气球、飞艇在承重和运动受力时，球壳艇身将发生受力变形，而软壳类球、艇因自身无刚度，其抵抗壳体受力变形，完全依赖于增加壳内低密度气体的压力，以提高壳皮表面张力的方式，达到抵抗壳体受力变形的目的。但是由于其壳壁簿，壳体总抗拉强度低，气密性能差。特别是壳体尺寸增大和壳内低密度气体增压后，壳体表面渗透面积增大，并且壳内气体向外部的渗透压力增高，因此采用这种方法在大尺寸的情况下，不仅难以保证壳体高强度的抗拉要求

而且会加速壳内低密度气体的渗漏。壳皮表面的张力很难保持。其使用的安全问题，留空时限以及使用中的维护问题均难解决。所以软壳类的气球、飞艇是不能达到高承载的目的的。气球、飞艇向大型化、巨型化发展必须依靠“有刚度、自重轻、气密性能好，能安全使用廉价氢气并能控制其升降的巨型硬壳球艇(10万立方米以上)”。这在气球二百余年的发展史上尚无成功的先例，也正是本发明的总目的。本发明将提供巨型硬壳气球、飞艇及其壳体的制造方法和安全充加使用氢气与控制飞艇升降的方法。

一、“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。

通过对框架结构壳体的受力分析、制造工艺分析可知：硬壳球、艇难以成功，难能实现的根本原因是人们基于“减轻自重提高壳体整体刚度、强度的常识”，①偏重于选择轻质高强度的簿板材制做壳体。②在大尺寸和对自重要求极其苛刻的情况下，仍试图沿用壳体制造的经典传统方法，即先制造内部承力构架，而后在构架上铺设起气密作用和传力作用的板材或蒙皮的方式制造壳体。如中国《国际航空》97.5介绍的某计划中的飞艇，其艇身就是由凯芙拉复合材料，用多层挤压层合的簿板制成的。这一传统的壳体设计选材思想、制造方法，也包括了历史上著名的“兴登堡”巨型飞艇和其它一些运载工具的壳体；如船身、飞机的机身、车厢、潜艇以及大型密封容器，壳式建筑等等。在壳体的设计选材和制造方法上均是如此。这一类壳体的主要技术特征是“壳壁气密、传力，构架承力”。

轻质高强度材料的种类很多，其中密度最小的一类是纤维复合材料。如玻璃纤维——环氧树脂复合材料，碳纤维——环氧树脂复合材料，硼纤维——环氧树脂复合材料等。其材料的比强度、比刚度均优于优质钢铁。材料的密度值一般为1.38×10³kg/m³～2.4×10³kg/m³。这样的密度值在固体材料中可谓不高，但用来制做对自重要求极为苛刻的气球、飞艇，其壳体却只能是“截面力学特性”极差，且壁厚δ仅能为几毫米的簿壁壳。如果在直径大于50米的大尺寸情况下，仍然延用上述经典传统的壳体制造工艺及方法，则难免会带来“簿壁壳受压屈曲稳定，簿板的对接、联接，壳体整体的刚度、强度，以及壳体的气密能力等，特别是壳体内部大跨度承力构架的设置，构架的自重、自身的稳定性”等等诸多的力学问题和极复杂，现有技术难以解决的制造工程问题。而又由于壳体内部必须设置构架，当向壳内充加氢气时，只能采取不能隔绝空气的“向下排空气法”，以至于无法安全使用廉价且密度值最小，技术性能最好的氢气。从而又在使用的经济性、安全性上阻碍了硬壳球、艇的发展。因此，欲制造对自重要求极其苛刻的大型、巨型硬壳气球、飞艇，保证壳体受力稳定，保证使用的经济性、安全性，必须否定和放弃上述经典传统的构架承力结构的壳体！放弃其设计选材思想和放弃其经典传统的壳体制造工艺方法。另辟溪径，采用新型结构的壳体。

[相比，如果我们能够在壳体制造过程中，克服低密度、低强度类材料，强度低、弹性模数低，受力极易变形的重大缺陷，在壳体设计选材时，不采用轻质、高强度材料，而选择密度值比轻质高强度材料密度小几十倍，甚至百倍的低密度泡沫类材料来制做气球、飞艇以及船身、机身、车厢、潜艇等壳体。如飞艇壳体材料选用聚苯乙烯泡沫塑料，其ρ＝0.02×10³kg/m³，低于玻璃纤维复合材料ρ＝2.4×10³kg/m³百倍，再如，船壳机身等材料选用与普通木材性质相近似的聚氨脂泡沫塑料I型ρ＝0.18×10³kg/m³ II型ρ＝0.32～0.42×10³kg/m³低于钢铁密度7.8×10³kg/m³，20～40倍。那么在材料总重基本相等的情况下，壳体的厚度将可以增加几十倍，上百倍。如示例I中飞艇壳体的工艺厚度将可以达到一米以下。这样不仅能彻底改善壳体的“截面力学特性”，保证壳体受力稳定，满足轻自重的苛刻要求，而且可以在极大程度上简化壳体制造工艺。如在壳体制造时，可以以增厚了几十倍，上百倍的厚板材、块材以类似建筑垒砌砖块的方法，直接相互粘接成壳体。并可以依附粘接成的低密度材料壳层，以“手工糊制成型法”铺设层合整体的高强度纤维复合材料壳层(或钢质材料壳层对船身、潜艇等)，从而避免了簿板的拼接、对接和避免壳体内部大跨度承力构架的设置。而对于横截面积较小的潜艇、机身、车厢等，则可以采用预制的环形段、片直接粘合成壳体，制造更为简单便捷，基本可以一次成型。由于壳体厚度有了极大的增加，不仅密封距离增大，壳体的气密能力自然增强。同时可以将承力构架设置于壳壁之内，可以以“注射成型法”在壳壁之内注塑高强度工程结构塑料或纤维复合材料，形成壳体的局部的或整体构架，保证壳体局部或整体的刚度、强度(这时壳壁相当于注塑模具)。这种设置构架的方法，非常适合承受一定弯矩，扭矩的小截面壳体(如机身、潜艇等)的制造。有着很特殊的意义。

如果我们能充分利用低密度材料的上述主要特性。特别是在壳体的制造过程中能以本发明所提供的特殊实用的预压、紧合——层合工艺方法，克服低密度材料，强度低，弹性模数低受力极易变形的重大缺陷，使低密度材料壳层成为施力壳层，以保证主要承力的高弹模复合材料壳层(或钢质壳层)在壳内外气体压力相等的情况下，受低密度材料壳层的施力作用，始终处于受拉张紧状态。并在使用时适当增加壳内低密度气体的压力，以进一步改善壳体的受力状况，减轻自重，那么我们将可以从根本上避开，化简和解决上述诸多的力学问题和制造工艺问题，并能为安全使用氢气和利用新的控制飞艇升降的方法创造条件。]

本发明的第一个目的就是要提供一种，以低密度、低弹性模数材料为主要施力壳层的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。

依据发明所提供的方法制造的壳体：壳壁厚大，气密性强，受力稳定，具有很好的“截面力学特性”。自重轻，有效载荷大。能满足气球、飞艇对自重的苛刻要求。(示例I中的飞艇自重与总浮力之比可达1∶2)

采用该方法，制造工艺简单便捷，可以不设置内部承力构架。壳体内表面平整，能为采用“隔膜充氢法”安全使用氢气提供必要条件，和能为采用“空气重量增减法”控制气球、飞艇的升降提供条件。

特别重要的是，采用该方法能简单有效的弥补和利用，低密度材料，强度低、弹性模数低、受力易变形的重大缺陷及其特性。能在壳内外无压差的等压状态下，使低密度材料壳层处于弹性回复的稳定施力状态，成为能增加壳体表面高弹模材料壳层张力的施力壳层。从而保证主要承力的整体高弹模纤维复合材料壳层(或钢质壳层，高强度工程塑料构架层)，在壳内外等压状况下，受低弹模壳层的施力作用处于均匀的受拉张紧的“理想受力状态”。保证壳体的受力稳定。

依据发明提供的方法制造的壳体，其施力壳层虽然采用了低密度、低弹模材料，但是由于其壳壁厚大，总承力面积大，因此能够承受极大的预压紧力，以保证高弹模材料壳层，在壳内外气压相等的状态下，能够获的巨大的张力，使壳体具备足够的抗变形能力，完全能够满足，载荷力，推进动力、运动阻力、自然力等力、力矩对壳体的要求，并能满足不同的使用目的对壳体的特殊要求。

本发明所提供方法，不仅能适用于硬壳气球、飞艇的制造，而且适用于船身、机身、潜艇、车厢，以及大型密封容器，壳式建筑等壳体的制造。

本发明的目的是由以下方法、步骤实现的。以下结合附图，予以说明：

附图1是本发明所述硬壳飞艇的结构示意图。

附图2是所述飞艇在充氢及做为载人飞艇使用时的结构原理图。

附图3利用交错排列法，粘接中间施力壳层的工序图。

发明所提供的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”是一种无内部构架壳体。该壳体为多层层合结构，它分别由中间施力壳层(8)与外层高弹性模数材料壳层(9)层合构成，或由中间施力壳层与内、外高弹模材料壳层层合构成。其高弹性模数材料壳层(9)可以是纤维复合材料壳层或是内、外钢质材料双壳层，或是设置于壳壁内的高强度工程塑料构架层。其中间施力壳层(8)由低密度或低弹性模数材料构成，其材料可以是聚苯乙烯塑料泡沫，硬质聚胺脂泡沫(I)型、II型等。该壳体的施力壳层(8)，在制造过程中，通过预压、紧合—层合工艺，能超前完成受力变形并通过其材料弹性变形回复力的方式，施力作于层合在其外的高弹性模数材料壳层(9)上，使(9)能在壳内外气压相等的状态下，以及工作压力小于预压紧力的工作状态下，处于受拉张紧的“理想受力状态”。该壳体是以其自身所获得的张力，实现抵抗壳体受力变形的目的，和避免工作受压时，壳体可能出现的“簿壁壳受压屈曲稳定问题”的。

制造该“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”的步骤是：

1、用预制的低密度材料的厚板材、块材，依附挖掘或搭建的阶梯状圆弧形凹槽(14)的表面，以建筑垒砌砖块的方法，交错排列，直接粘接成气球、飞艇(船身、机身)壳体的施力壳层(8)，并达到工艺设计要求的尺寸和模样。由于板材、块材极厚、极轻，且采用了交错排列的方式，因此在垒砌壳体上半部分的板材、块材时，其板材、块材实际呈插接安装的自支撑形式，所以无需构架支撑或仅需支撑力很小的辅助支撑。因此对于横向跨度较大的气球、飞艇的壳体，其壳体上半部分，可以利用预先设置的外构架、栓接拉护。同时可以利用能够沿壳体纵向移动的特制阶梯式弧形支架(即网架结构的行车)上料安装板材、块材并做临时辅助支撑(对于横截面较小、跨度较小的船身、机身、潜艇、车厢等壳体可采用预制的环形段、片直接粘合)。为能使壳体形成完全密封的空间，和保证壳体垒砌时的稳定，增补届时可以拆除的工艺密封部分(门、舷窗、进排气口等)，并增加增厚壳体的工艺厚度，届时拆除。拆除时可以采用手工、机械和化学溶解等方法。

对于气球、飞艇承力较大，受力集中的局部，和对于承受较大纵向弯矩，轴向扭矩的船身、机身等，在预制的厚板材，相互粘接的平面以及壳体的内外表面上，设有预制的沿壳体纵向和沿壳体周向的凹槽。并可在粘接的同时，在径向埋设穿过凹槽及壳壁的紧固件。当厚板材、块材相互粘合联成壳体后，这些凹槽将在壳体的局部或整个壳壁上相互连通成“工字钢”“槽钢”“十字”等截面形状的局部空心框架，或整体空心框架。以备注塑和以备壳体内外表面高强度钢质壳层之间的栓接。以形成壳体的壁内构架。保证壳体局部或整体的刚度、强度。

对于气球、飞艇，在预制的厚板材、块材的相互粘接的平面和外表面交接处，设有预制的沿壳体纵向、周向的“丁”字型“弧形”凹槽，当板、块粘接成壳体时，这些凹槽将在整个壳壁表面上相互连通成沟槽。以备在壳体表面铺设纤维复合材料壳层时，在沟槽处，加厚，加固形成纤维复合材料壳层的加强筋。以提高纤维复合材料壳层的抗拉能力，防止使用时表面壳层发生撕裂破坏。

2、对垒建粘接完工的密闭壳体即施力壳层(8)实施整体预压

抽取密闭壳体内部分或全部空气，使壳内外产生大气压差。以利用壳外均匀巨大的大气压力，对低密度材料壳层(8)，在其材料的弹性变形范围内，实施整体预压，使低密度材料壳层(8)受压紧合，成为被大气压紧箍的整体(抽气过程壳体受力分析见阅《材料力学》s.铁摩辛柯著)。当壳体所受紧合力达到设计要求时，停止抽气，并保持壳内负压值。对于横截面积较小的机身、潜艇、车厢等，为能使壳体获得足够大的预压紧力，可以采用增加壳外气压的方法处理(如示例2中的潜艇，外压需达到16×10⁵帕。为能增大壳体纵向的预压紧力还可以采用机械辅助施力的方法，实施单方向预压等，略)。在上述抽气紧合过程中，由于低密度材料弹性模数低，因此整个低密度材料壳层，在受大气压载作用时，将会发生较明显的收缩变形。壳体表面与支撑面将发生相对滑动，应特别予以注意。

3、在保持紧合力，即保持壳内外大气压差的情况下，实施高弹模外壳层(9)和处于预压紧合变形状态下的低密度施力壳层(8)的层合。

a、对于气球、飞艇，在壳体全表面，以及表面的“丁字”凹槽“弧形”凹槽中，用“手工糊制成型法”或“喷射成型法”铺设多层纤维复合材料壳层，并铺设形成纤维复合材料壳层的加强筋直至达到设计要求的厚度(示例1中的飞艇的纤维复合材料壳层厚度约为2毫米)。

b、对于气球、飞艇承力较大，受力集中的局部，以及船身、机身、潜艇、车厢等壳体，在前述的局部空心框架，整体空心框架内，注塑高强度工程塑料，以形成壳壁内的局部或整体的承力构架。(此处应注意注塑压力，材料的耐压能力，以及相关的耐压处理方法)

c、对于船身潜艇，利用前述预埋的径向紧固件，栓接安装内外壳层钢板，并焊接、接缝(潜艇防护钢板很厚时，同样可以采用分层层合的方法处理，略)

4、待纤维复合材料固化和a，b，c结束后，拆除工艺密封部分。使壳内外恢复至常压。即撤除大气压载，使壳内外气体处于无压差的等压状态。

当壳内气体恢复至常压，即撤除大气压载之后，由于纤维复合材料、工程塑料、钢质材料的弹性模数，远远高于低密度材料，其张紧变形量极小，从而能够束缚内层已发生过受压紧合变形的低密度材料壳层，使之不能恢复弹性变形。由壳内外大气压差作用产生的极其巨大的预压紧力无法释放，从而使低密度材料壳层获得极大的预压紧力。低密度材料壳层(8)，将始终处于弹性回复或弹性膨胀的施力状态。成为被高弹模材料壳层紧箍的弹性施力壳层。而又由于高弹模壳层(9)，始终受到低密度材料壳层(8)弹性回复力的施力作用，从而保证了高弹模壳层(9)，在壳内外气压相等的情况下，始终处于受拉张紧的“理想受力状态”。

根据胡克定律可知：“只有当壳体重新受压超过该预压紧力，即超出原大气压载时，壳体才能继续发生受压变形。而当壳体在工作使用时，所受到的载荷力、运动力、自然力不能超过该预压紧力时，即工作压力在0～预压紧力范围内，壳体低密度材料壳层将不发生变形！而仅仅只是相对减少高弹模材料壳层(即纤维复合材料壳层，钢质壳层，壳壁内高强度工程塑料构架层)上的张紧力。低密度材料壳层将始终处于恒定的施力状态，并与工作时所受外力无关！特别是当壳体重新受压超过该预压紧力时(即壳体在工作使用时，所受的载荷力、运动力、自然力超过原大气压载时，由于上述高弹模壳层材料的弹性模数，远远大于低密度材料，其受压变形量极小，因此重新受压时，其压力超出预压紧力的部分将主要由高弹模材料壳层承担！(即由纤维复合材料层，钢质双壳层、高强度工程塑料构架层承担。)低密度材料壳层也同样不生产变形！高弹模材料壳层的受力将由初始的受拉状态，转变成受压状态。这一特性对机身、潜艇等受一定弯矩作用的小截面壳体犹为重要。

综上所述：低密度材料壳层，在材料的弹性变形范围内，所受到的初始大气压载越大，则其所能获得的预压紧力越大。低密度材料壳层的施力能力以及作用于高弹模材料壳层上的张紧力越大。壳体整体的抗变形能力(抗压、抗弯变形)越强，壳体的整体刚度越大。因为a：壳体在0～预压紧力之间的压力范围内，工作受压时，其受压变形量(即张力减少的变形量)实际和高弹模材料壳层受低弹模壳层施力作用，产生的受拉变形量相等(对等)。因此①在0～预压紧力的压力范围内壳体的整体刚度实际等效于高弹模材料的刚度！且无需考虑壳体受压屈曲稳定问题。因为b：壳体在受弯矩作用时，高弹模材料壳层的受压侧同时受到低弹模壳层所施的纵向张力和弯矩压力的共同作用，纵向张力越大，共同作用的合力越小。由拉力与弯矩联合作用下的正应力计算公式

可知：当壳体所受张力P大于弯矩M产生的压力时，或壳体所受弯矩

时，壳体受压侧将仍呈受拉张紧状态。仍无需考虑壳体受压屈稳定问题。因此②依据本发明提供的方法制造的壳体，即受纵向张力作用的壳体，能从根本上改善弯矩作用时，壳体受压侧的受力状态，避免由弯矩作用产生的破坏，其壳体在抗压、抗弯的能力及原理上均优于其它结构的壳体(通过下述示例1的计算，可以说明此结论)。对于承受一定弯矩作用的船身、机身等，应充分利用上述结论，在对壳体实施预压层合时，应在低密度材料的弹性变形范围内，尽可能的加大初始大气压载，或利用机械施力，单方向的加大壳体初始纵向压载，使壳体获得足够的纵向张力，以提高壳体的抗压抗弯能力。

当低密度材料壳层所获得的预压紧力大于、远大于壳体使用时的运动阻力、推进动力以及自然力、载荷力时，壳体在承重及工作运动受力时将不产生受压变形，因此③壳体内，壳壁内完全可以不设置承力构架。或为满足一定的弯矩，扭矩及局部受力要求等，仅需在壁内设置较轻细构架，或壳外构架，当壳体较宽大，需要设置隔层、隔仓时(如多层宽体客机、双层车厢等)，应在壳内设置能增加壳体横截面积的纵向隔仓，a、以隔仓壁作为壳体的抗弯筋板，b、特别是以隔仓壁增大壳体承受纵向初始压载能力，以保证壳体获得足够大的纵向总张力和抗弯能力。④由于高弹模材料壳层在使用过程中，受低弹模壳层的施力作用，在0～预压紧力的工作范围内，以及所受弯矩

时，始终处于受拉张紧状态，而无需考虑簿壁壳受压屈曲稳定问题，因此高弹模壳层，在满足自身抗拉强度的情况下，可以制做的很簿，以利从根本上减轻自重(如示例1中的飞艇的高弹模壳层的厚度仅为1～2毫米)鉴于以上四点易见：

在低密度材料壳层所获得的预压紧力，完全能够大于壳体在使用时的运动阻力、推进动力、自然力、载荷力的前提条件和壳体所受弯矩

的前提条件下。采用本发明提供的方法制造的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”能从根本上减轻自重，从根本上简化壳体的制造工艺，并完全能够保证壳体的整体强度、刚度。其壳体在抗压、抗弯的能力及原理上均优于框架结构的壳体！

通过以下示例可以简单看出：气球、飞艇、机身、船身、潜艇、车厢等壳体，在壳体的制造过程中，所能获得的预压紧力，纵向张力及壳体所能承受的弯矩都是极其巨大的，均能大于壳体使用和运动时的诸力、力矩！完全能够满足上述前提条件！满足轻自重的苛刻要求，以及壳体的抗压抗弯要求等！上述各种类壳体均可以采用本发明提供的方法予以制造。

示例1：设某飞艇，其壳体采用本发明提供的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”。其艇身总长为280米，中间段为长210米，直径为70米，实际计算壁厚为0.4米的空心圆柱筒(为保证壳体垒建和使用时的受力稳定，厚板材、块材采用方箱型结构或蜂窝结构时，壳体实际的工艺壁厚约为1.2米)。两端为同等壁厚，直径70米的半球。壳体总体积为987268米³，在标准大气状态下的总浮力为1273.58吨。

中间施力壳层材料为聚苯乙烯塑料泡沫。其材料密度ρ₁＝0.02×10³kg/m³，材料抗压强度σ₁＝1.22kg/cm²。壁厚按0.4米计算时，中间施力壳层材料总重为488.8吨。

艇身主承力的高弹模纤维复合材料外壳层，选用碳纤维——环氧树脂复合材料，其材料密度ρ₂＝1.38×10³kg/m³，其抗拉强度σ₂＝2700kg/cm²，该材料壳层平均厚度δ＝2毫米，该壳层材料总重为170吨。

飞艇内低密度气体在采用以下发明提供的“隔膜充氢法”时可安全充加和使用氢气，氢气密度ρ₃＝0.09kg/m³，在壳内外等压状态，即氢气压力为1.013×10⁵帕时，氢气重量为86.65吨(若使用氦气，氦气总重为173吨)。

根据以上数据，飞艇的计算空重为745.4吨，剩余浮力为528吨。在高度1000米上运行时的有效载荷为410吨(地面附近与1000米高度处，飞艇的浮力差为118吨)。剩余浮力与总浮力比为0.415。壳重与总浮力比为0.45(小于1∶2)完全能满足飞艇对壳体自重的苛刻要求。飞艇空载时的合密度为0.58kg/m³，其空载时的最大升限为7000米。

当对壳体实施预压层合时，抽取壳内部分气体，即使壳内气体压力降至(-0.0138×10⁵帕)时，受大气压载作用，在低密度材料壳层上产生的纵向挤压应力σ为：(壁厚按0.4米计算) $=\frac{529.34\×{10}^3}{874176}\mathrm{kg}/c{m}^2=0.605\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2$ 其横向挤压应力为1.2kg/cm²(计算略)。此二值均小于聚苯乙烯塑料泡沫的许用压缩强度[σ₁]＝1.22kg/cm²。且纵向挤压应力尚有一半的余量。

由以上计算可知：低密度材料壳层所能获得的纵向预压紧力为529.34吨，此值远大于壳体在使用时的推进动力，运动阻力。是目前最大航空发动机推力37～45吨的10倍以上。完全能够满足上述壳体应用的前提条件。从而能够在不设置承力构架的情况下，保证壳体的纵向刚度。

当撤除大气压载，使壳内外气体处于等压状态时，已获得预压紧力的低密度材料壳层的纵向弹性回复力，即作用于高弹模复合材料壳层的纵向总张力为529.34吨。此力在高弹模壳层上产生的纵向拉伸应力： $\mathrm{\σ}=\frac{P}{2\mathrm{\πr\δ}}=\frac{529340}{2\×3.14\×3500\×0.2}\·\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2=120.4\mathrm{kg}/\mathrm{cm}$ 此值尚远小于碳纤维——环氧树脂复合材料的许用拉伸强度[σ]＝2700kg/cm²。完全能满足壳体自身的抗拉强度要求。

为能进一步增大纤维复合材料壳层的纵向张力，保证壳体受力稳定，提高飞艇抗侧风等产生弯矩破坏的能力，适应环境自然力及飞艇运动状态的变化。壳体在实际使用时，壳内气体压力将增至1.044×10⁵帕(即壳内压力高于外部空气压力0.032×10⁵帕)。这样壳体的纵向总张力将达到1680吨，表面纤维复合材料壳层的纵向拉伸应力为399kg/cm²，仍远小于碳纤维复合材料的许用强度。此时，如果仅仅考虑，壳体受压侧的张力，弯矩压力之合等于零的情况，即：

尚未考虑高弹模材料壳层自身的抗压能力；那么此时壳体所能承受的弯矩： $M=\frac{P\·W}{F}=\frac{P}{2\mathrm{\πr\δ}}\·(0.0982\×\frac{D^4-d^4}{D})$

可见，受纵向张力作用的壳体的抗弯能力是极强的，完全具备抗强侧风袭击和弯矩破坏的能力！(而在弯矩作用时，壳体受拉侧，纵向拉伸应力：

仍小于许用强度)。特别是飞艇在使用时是浸没于密度值很小的空气中，不同于浮在水面上的船身，其局部浮力变化量极小，且飞艇姿态基本属于平动，纵向平衡，依靠配重，而不是依靠空气产生的翼面力矩，因此在实际使用时，飞艇只受纵向推力、空气阻力以及垂直方向的载荷力、浮力作用，不产生弯扭矩。(另注意：壳内增压时，低密度材料仅增加法向压应力，只起传力作用，而不增加纵向及周向应力)

根据示例及计算可简单直观地看出，采用本发明所提供的方法制造的壳体：

①完全能够弥补低密度材料，弹性模数低，受力极易变形的重大缺陷，壳体具备足够的整体刚度强度，满足载荷力、运动力、自然力等诸力、力矩对壳体的要求。完全能够在壳体尚未使用之前的制造过程中，通过预压、紧合——层合的工艺方法，超前完成受力变形，从而消除使用时因壳体受力变形，可能出现的各种隐患。其施力壳层虽然采用了强度极低的聚苯乙烯泡沫类材料，但是由于壳壁厚大，总承力面积大，因此完全能够承受很大的初始压载，使外层高弹模壳层获得足够的张力，从而保证了低密度、低强度材料在壳体制造上的应用，以从根本上降低壳体自重。简化壳体的制造工艺。

②壳壁厚大，具有很好的“截面力学特性”，“截面惯性矩”I大，其壳体屈曲临界压力

，远远大于低密度材料壳层在实际预压层合时所需要的压差值。从而能够保证壳体预压紧合时的受力稳定。并且由于低密度材料壳层，在壳内外气压相等的情况下使用时，能始终处于恒定的弹性回复的施力状态，外层高弹模材料壳层，在低密度施力壳层弹性回复力的作用下，始终处于均匀的受拉张紧的理想受力状态。因此，采用本发明提供的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”能从根本上保证壳体承重，受力的稳定性、安全性和壳体布置的灵活性。(因为软壳类球艇等必须在密闭的壳体空间内增压，才能保证壳层张力，而中间壳层施力的壳体却可在壳内外等压状况下，获得的张力。其壳体无需一定密闭。如船身、机身、车厢等均可见开设窗口等，这是软壳类壳体无法做到的)。

③由于壳壁厚大，密封距离长，且外层有整体铺设的复合材料壳层(或内外双钢质壳层)以及低密度壳层材料受预压紧合时的自行挤压紧合，因此采用发明提供的方法制成的壳体具有极强的气密能力。特别是飞艇在使用时，壳内外气体压力基本相等，渗透压力极小，所以能从根本上保证壳内低密度贵重气体(氢气、氦气)长期使用不渗漏。保证气球、飞艇的留空时限和很好的免维护特性。由于该方法制造的壳体具有上述优良特性，故可以采用该方法制造大型密封容器。

对材料、工件实施预压是机械制造中常见的一种工艺方法。但是“利用壳内外大气压差(或机械力)，对大尺寸壳体实施整体预压，并在低密度材料壳层，处于预压紧合的状态下，使之与外层高弹模材料壳层直接层合。以及在撤除大气压载(或机械压载)后，利用两种不同性质的材料之间的弹性模数差异，整体约束受压壳层，使高弹模壳层获得巨大的均匀的张力(即使壳体获得巨大的整体刚度)却是首例。也决非显而易见。例如只有通过认真分析、比较才能发现：“依据本发明提供的方法制造的壳体，在抵抗受力变形的方式及原理上和软壳类球艇是完全相同的。即都是”依靠提高壳体表面张力的方式，以实现抵抗壳体受力变形的目的”。所不同的是在提高与获得张力的方法上(或采用的工作介质上)。软壳类球艇，采用了极为简单直接增大壳内低密度气体压力的方法。而硬壳球艇，却是“依靠低密度、低弹模厚壳层预压紧合后的巨大的弹性变形回复力”。可谓异途同归，但后者却有着明显和意想不到的效果。由于方式相同，因此硬壳球艇同样可以采用增加壳内气体压力的方法，进一步提高壳体张力。正如示例中所述。除此之外还有：

④为能满足气球、飞艇“高承载、低升限”或“低承载、高升限”的特殊要求，可以在增大壳内气体压力，保证高弹模材料壳层张力的情况下，拆除或部分拆除低密度材料壳层。以彻底降低壳体自重。但这一做法将会在一定程度上削弱壳体的受力稳定性，并降低壳体的气密能力。(一旦壳体因故发生破损，壳内气体压力下降，壳体将会因自重等引起的簿壁壳屈曲稳定遭致破坏。当出现漏损内压下降时，可参阅下述发明提供的方法，在壳内“空气空间”迅速增补空气，稳定壳内气压以防止壳体破坏)。

示例1中的飞艇若在壳内增压，高于外压0.04×10⁵帕时，即保证高弹模材料壳层纵向总张力为1570～2000吨的情况下，拆除低密度材料壳层中的空心圆柱筒部和一侧的半球部分。即仅保留另一侧半球的低密度材料壳层，艇身竖直使用，则飞艇的总承载力将能达到956吨，飞艇的合密度为0.32kg/m³，其轻载47吨时最大升限可达11千米。

⑤依据本发明制造的壳体，均为受纵向张力作用的壳体，均可以，以简单实用的预压紧合层合的工艺方法获巨大的纵向张力。其壳体在抗压、抗弯的能力及其力学结构原理上，完全优于框架结构壳体，如：根据拉力与弯矩联合作用下的正应力计算公式

在仅仅只考虑高弹模材料壳层，在受弯矩M作用时，壳体受压侧的纵向张力与弯矩压力之合等于零。即 的情况。(尚未考虑高弹模壳层材料自身的抗压能力及低密度材料壳层及壳内抗弯筋板的作用)那么，壳体在该状态下所能承受的弯矩M为： 根据上式可知；纵向张紧应力

越大，M越大。当

时，综合考虑壳体受拉侧的正应力情况，即 可得出；壳体在该前提状态下所能承受的最大弯矩

，而由于一般高弹模材料的许用强度[σ]值均在2万吨/米²以上，因此受纵向张力作用的壳体，在纵向张紧应力

接近

时的抗弯能力是极强的，一般均能达到(万吨·米)以上，所以本发明提供的壳体制造方法，完全能够适应其它受有一定弯矩作用的壳体制造.如：

示例2：设某下潜深度为160米以下的大型潜艇，采用本发明提供的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体：。其壳身长为100米，中间段长为90米，外径为10米的空心圆柱筒，壳壁厚0.6米，两端为同等壁厚，直径为10米的半球。壳内设置“井”字型分层隔仓或抗压，抗弯筋板，筋板厚为0.45米。其“井”字形隔仓的横截面积为15米²。壳体施力壳层，包括“井”字隔仓采用硬质聚胺脂泡沫塑料II型，其材料密度ρ＝0.42×10³kg/m³。材料的抗压强度σ＝85kg/cm²。内外高弹模材料，可选用普通钢板，要求材料抗拉强度不低2800kg/cm²，外壳层平均厚度为0.1米。

实施预压层合时，抽取壳内全部气体，并在壳外增压至16×10⁵帕，即使壳内外产生约16个大气压差时，由该压差作用，在施力壳层纵向产生的压应力

横向压应力σ₂＝79.4kg/cm²，均小于材料的许用强度。

由以上计算可知，低密度材料壳层所能获得的纵向预压紧力为12982.938吨，完全能够满足推进动力、运动阻力和下潜160米深度的要求。满足前提条件，从而可以在不设置壳内承力构架(龙骨)的情况下，保证壳体的整体刚度。

当撤除大气压载，使壳内外气体处于等压状态时，已获得预压紧力的低密度材料壳层的纵向弹性回复力，即作用于高弹模材料壳层的纵向总张力为12982.938吨。此力在高弹模壳层上产生的拉应力为827kg/cm²，均小于材料许用强度。满足壳体强度要求，在受弯矩作用时，仅考虑前述条件时，壳体所能承受的弯矩M为

其壳体完全具备抗骤风、巨浪袭击破坏的能力。

⑥、适合制造中间施力壳层的材料，以及预压紧合的方法较多，便与设计与制造时选择；a制造中间施力壳层的材料除了上述低密度、低弹模类的聚苯乙烯塑料泡沫，聚胺脂塑料泡沫之外，还有硬质泡沫类材料，如泡沫铝泡沫炭等，以及钢质或其它金属材料。当以硬质材料制造中间施力壳层时，为能使该壳层获得足够的预压紧力，在预压紧合时必须使壳层产生足够的弹性变形。因此在应用硬质材料预制成的厚板材、块材垒建壳体时，应在厚板材、块材相互粘接的平面之间卡夹一定厚度的弹性材料(橡胶材料层)即可。同时为减轻壳体自重，厚板材、块材，可预制成空箱型或蜂窝型结构。B对中间施力壳层实施预压紧合的方法，除了上述利用壳内外大气压差之外，还有多种方法如：采用螺栓预压紧合等方法，该方法的具体过程是：在预制的硬质材料的厚板材、块材的相互粘接的平面上，即两两板块之间各设有螺栓孔，并安有螺栓。在实施预压紧合时，利用螺栓对壳体的纵向和周向施力，使整个壳体产生纵向和周向的紧合，以达到使壳体产生预压紧合变形的目的，当该壳层和外层高弹模材料壳层层合完毕后，拆除螺栓，即撤除机械压载即可。(其它方法略)

二、能使硬壳气球飞艇安全充加氢气，使用氢气，并能控制其升降的“隔膜充氢气及隔膜空气重量增减法”

1、为能使气球飞艇获得较大的剩余浮力，提高其运载能力，气球飞艇所使用的气体密度值，必须远小于空气密度。在低于空气密度的各种气体中，如热空气、热二氧化碳气体、氢气、氦气等气体中，氢气的密度值最小，且价格低廉，有着特殊的经济技术应有价值。特别是氢气尚可作为飞艇飞行的动力燃料使用，因此，氢气的综合利用价值是很高的。但是氢气混入空气后，极易与空气中的氧气发生反应，引起爆炸，安全性能很差，因此，在向气球、飞艇充加氢气，以及在气球、飞艇的使用过程中，都必须完全隔绝空气，才能保证气球飞艇的使用安全。

对于软壳类的气球、飞艇而言，由于其壳体是柔性的，当向其壳内，即球囊内注入氢气时，防止混入空气的方法较为简单。只需采用“挤压排气法”挤压出气囊内的空气，而后直接向壳内加注氢气即可。但是对于硬壳的气球、飞艇，这种方法却是根本无法采纳的。通常采用的方法是“向下排空气法”。如历史上著名的“兴登堡”飞艇就是采用这种方法。“向下排空气法”是利用两种气体密度的差异实现的。当向壳内加注了密度较小的氢气、氦气后，由于其密度小于空气密度，受空气浮力的作用，浮于壳内上端，下端的空气则能从壳体下部开设的排气口自然排出。这一方法，对于惰性的氦气可以说是简单有效的，但由于这一方法并不能完全隔绝空气，用于易燃易爆的氢气却是极不可靠的。“兴登堡”飞艇的爆炸已给出了例证。所以为能使硬壳的气球、飞艇，安全的充入和使用氢气，尚必须另辟溪径，提供新的充加氢气和使用氢气的方法。

2、众所周知：气球、飞艇的升降和升限的高低，均取决于气球、飞艇的合密度大小，当飞艇的合密度小于、等于及大于周围空气的密度时，飞艇将分别处于上升，悬浮和下降状态。根据空气密度ρ随高度Z的变化关系式ρ＝ρ₀(1-0.02257Z)^4.256可知：飞艇在不同的飞行高度Z₁，Z₂上所受到的空气浮力F₁，F₂是不同的，两者之间存在着一定的浮力差ΔF；

ΔF＝F₁-F₂＝ρ₀V[(1-0.02257Z₁)^4.256-(1-0.02257Z₂)^4.256]。

并且，飞艇的体积V越大，高度差Z₂-Z₁越大，浮力差ΔF也越大。所谓对飞艇的升降控制，实际上就是控制调节飞艇的合密度，使飞艇满足浮力差的要求，只有在满足上式所指的浮力差时，飞艇才能从高度Z₁运动变化至另一高度Z₂。

对于能够改变自身体积的软壳类气球、飞艇而言，要满足浮力变化的要求是比较容易实现的。如需要上升时，可以加大气囊内的气体压力，使气囊膨大。而需要下降时，减小气囊内的气压，使气囊缩小即可。但是对于不能改变自身体积的硬壳球艇而言，要满足浮力变化的要求却是十分困难的。特别是体积庞大，且升限要求较高的飞艇，要满足浮力差的要求，则更加困难。如示例1所述的，其体积为987268米³的飞艇，若要从地面附近的悬浮状态，上升至1000米的高度时，必须减载ΔF，即使重量减轻118吨，才能上升至预定的高度。为完成这一过程，一般可以采用“抛弃重物法”，抛弃携带的砂石、水或消耗掉部分燃料等。但反过来，飞艇若要从1000米的高度降至地面，则需在空中增加118吨载荷，或利用机械产生向下的作用力。但这对于有一定飞行高度，且运动速度较慢的飞艇而言，却是极为困难的。既难以利用地面的水源、重物增加飞艇的飞行重量，也不能依靠机翼产生如此巨大的向下作用力。所以，为能控制飞艇的升降，尚需提供新的行之有效的方法。

本发明的目的就是要提供一种，既能使硬壳飞艇安全充加氢气，又能控制飞艇升降的“隔膜充氢及隔膜空气重量增减法”。

采用发明提供的方法，不仅能够利用隔膜使飞艇在完全隔绝空气的情况下，安全的充加氢气和使用氢气，降低飞艇的制造、使用费用，提高运载能力。而且能只利用飞艇原有的内部空间和充氢时所使用的隔膜(即不增设其它储气空间，不另设隔膜)，依靠控制调节壳内空气重量，实现对飞艇升降的控制。

采用本发明提供的方法，能保证隔膜两侧的“空气空间”、“氢气空间”，气压严格相等，其相互之间的渗透压力为零，而不发生相互渗透。不仅能够保证飞艇充加氢气、使用氢气的安全以及很好的免维修特性，而且能够随时随处的快速完成对飞艇升降的控制。

本发明提供的方法，不仅能适用于一般运载飞艇，而且能够适用于特殊用途的“高承载、低升限”和“低承载、高升限”型飞艇。特别是在本发明提供的原理方法的基础上，增设一层隔膜和相关措施后，能有效防止隔膜因故出现漏洞时，氢气与空气混合，可能引发的事故，保障载人飞艇的使用安全。

本发明的目的是依靠设置在飞艇壳内的隔膜实现的。以下结合附图1、2予以说明

在垒砌低密度施力壳层(8)上半部分的同时，在壳体的上半部分的全部内表面上，贴附一层薄膜(7)，要求簿膜有很好的气密性。簿膜(7)与壳壁表面之间的粘接要小，即能使簿膜附着在壳壁上为宜。簿膜相互之间的拼接处必须粘牢不漏气，簿膜的边缘与壳壁粘牢且不漏气。

1、利用簿膜的安全充加使用氢气的方法。

当向飞艇壳内充加氢气时，由设置在壳体上端的进气口(11)，向簿膜(7)与壳壁之间的狭缝内充入氢气。受氢气压力的推动作用，隔膜(7)与壳壁表面脱离，并在壳内向下运动。壳内空间被隔膜(7)分隔成上下两个密闭的部分；其上部是由隔膜(7)与壳内上半部分内表面构成的“充氢空间”(5)，下部是隔膜(7)与壳内下半部分内表面构成的“空气空间”(6)。“充氢空间”(5)与“空气空间”(6)由隔膜严格分开。当持续地向“充氢空间”(5)充入氢气后，随着隔膜(7)不断的下移，“充氢空间”(5)不断扩大，“空气空间”(6)逐步缩小，“空气空间”(6)内的空气由设置在壳内最下端的排气口(12)排出。充氢持续至簿膜(7)与下半部分的内表面贴合，“空气空间”(6)内的空气完全排出，并使壳内氢气压力达到设计要求为止(如示例1所述飞艇要求的充氢压力为1.038×10⁵帕)。

在上述利用隔膜的充氢过程中，由于充入的氢气与壳内外的空气是完全隔开的。因此①采用本发明提供的充氢方法，完全能够保证硬壳球艇能安全充入和使用氢气。②由于簿膜是附着在壳壁内表面上的，簿膜与壳壁之间的粘紧力极小，充入氢气后能够很容易的从壳壁内表面上脱落。因此，“氢气空间”的氢气压力与“空气空间”的空气压力是近似相等的，相互之间的渗透压力近似为零。故完全可以保证充入的氢气不向空气侧渗漏。③由于在整个充氢过程中，簿膜两侧的气体压力相等，因此簿膜只受两侧气体正压力的作用，气体在簿膜上不产生拉伸应力。所以a：任何强度的簿膜，只要气密性好，均可使用，不会产生拉伸或撕裂破坏。b：簿膜可以很簿，自重量极轻，容易贴附在壳壁上。④由于采用本发明提供的方法在整个充氢过程中，“充氢空间”的氢气压力与“空气空间”的空气压力始终是相等的，因此无论艇壳内原有空气压力大于、小于或等于大气压力，只要充氢流量与空气排放流量相等，那么均可在保持壳内原有压力的状态下，完成充氢过程。

如：对于示例中所述的特殊用途的“低承载、高升限”或“高承载、低升限”飞艇。在拆除低密度施力壳层时，必须使高弹模材料壳层保持足够的张力。即需要在壳内空气压力高于外部大气压的状态下进行充氢，那么，只要充氢流量保持与空气排出的流量相等，即可实现。

再譬如：在飞艇壳体的制造过程中，高弹模复合材料壳层，与低密度施力壳层之间的层合，是在壳内气压低于外部大气压力，即在低密度施力壳层处于预压紧合的状态下进行的。为了在此状态下便于铺设飞艇下半部分的高弹模材料，壳身最好能在预压紧合的状态下，从弧形凹槽中浮起，亦即需要在保持壳内空气压力小于外部大气压的状态下，充入一定量的氢气。那么同理，只要充氢流量与空气排出流量保持相等即可。

2、利用隔膜的飞艇升降控制方法“隔膜空气重量增减法”。

本发明提供的飞艇升降控制方法，是依靠控制调节飞艇壳内“空气空间”(6)的空气重量实现的。当增加“空气空间”(6)内的空气重量时，飞艇的飞行重量增加，合密度增大，飞艇处于下降状态。反之，减小该空间的空气重量时，飞艇的合密度减小，飞艇上升。如示例1所述的飞艇欲从1000米的飞行高度降至地面，为满足浮力差ΔF，需要在空中增重118吨，那么仅需向艇壳内的“空气空间”(即由充氢隔膜与艇壳下半部分内表面构成的空间)内，充入118吨空气即可。

当向壳内“空气空间”(6)持续地充入空气时，原充氢后，贴合在壳体下半部分表面上的隔膜(7)，在充入空气的推动下，与内表面脱离，并在壳内向上运动，使“空气空间”(6)不断扩大，“氢气空间”(6)逐步缩小。随着充入空气重量的增加，飞艇的合密度增大，飞艇处于持续下降阶段。在这一过程中，由于充入的空气与壳内的氢气是被隔膜严格分隔开的，并且无论“氢气空间”(6)在缩小时，是否向外部释放氢气，其“空气空间”(6)与“氢气空间”(5)的气体压力均是完全相等的。二空间气体压力保持着同步增减，因此隔膜(7)两侧的氢气和空气之间，不存在渗透压，不会发生相互渗透。且隔膜只受两侧气体正压力的作用，不产生张力，不会发生拉伸、撕裂破坏。所以①采用本发明提供“隔膜空气重量增减法”能够保证氢气的使用安全。对隔膜仍只是气密好的要求。故完全可以利用飞艇原有内部空间和隔膜，实现对飞艇的升降控制。

在向“空气空间”充入空气时，随着“空气空间”的扩大，“氢气空间”是逐步缩小的。如果此时“氢气空间”不向外部释放氢气。即既不向燃氢发动机输送氢气，也不向空中排放氢气，那么在整个充入空气的过程中，飞艇壳内的气体是增压的(空气空间与氢气空间的气体压力同步增减)。而由于实际所要求的充入空气的重量在标准大气状态下，所占体积与飞艇内部空间体积相比是很有限的。如升限在1000米以内的运载飞艇，一般要求充入的空气重量体积，约为壳内总体积的1/10，那么根据“理想气体状态方程”可知：在充入该重量体积的空气后，艇壳内气体所增压力是不高的。一般均小于0.1×10⁵帕。如示例1所述飞艇，欲从1000米的飞行高度降至地面，需充入118吨空气，该重量的空气在标准大气状态下(即气压为1.013×10⁵帕，密度为1.29kg/m³时)所占体积为91472米³。不足飞艇空间体积987268米³的1/10，当充入该重量体积的空气后，壳内气体所增压力仅只有0.094×10⁵帕，所以③采用本发明提供的方法能够快速完成飞艇的升降控制。因为向壳内充入空气时，要求空压机的压缩比很小，完全可以采用大流量风扇式空压机或者多处安装普通通风设备，从1000米降至地面一般均可在30分钟内完成，不仅可以随时随处快速控制飞艇的升降，而且具备蓄能特性。当飞艇需要上升时，由于壳内空气压力高于外部空气压力，仅需打开通气口，壳内空气自行流出即可。

除此之外，由于充入空气后，壳内气体所增压力是有限的，不足0.1×10⁵帕，并且充入的空气在壳内是均匀分布的，壳内任意一点的气体压力均是相等的，因此飞艇高弹模材料壳层所增加的张力也是有限的和均匀的。所以④采用本发明提供的方法时，壳体的强度是足够的，完全可以保证飞艇的使用安全和运动的稳定。如示例1所述飞艇，在充入118吨空气，即壳内增压0.1×10⁵帕后，其高弹模材料壳层的纵向拉伸应力仅为1009kg/cm²，周向拉伸应力为2018kg/cm²，均仍在许用强度的范围内。玻璃纤维环氧树脂复合材料的抗拉强度为3010kg/cm²。(这里注意到，周向拉伸应力较大是纵向应力的一倍，所以在铺设高弹模材料壳层时，应在壳体的周向多增设加强筋，并在加强筋内设置少量非晶态抗拉钢丝，如φ0.18mm的非晶态，Fe₇₅B₁₀Si₁₅合金丝，其强度高达3500MP，即35714kg/cm²，以增大壳层周向截面，和提高周向抗拉伸能力。

对于一般升限在1000米以内的飞艇，在充入所要求的空气重量体积之后，由于壳内所增压力不高，壳体的强度能够保证，所以在充入空气时，无需向壳外输送或排放氢气。并且由于二空间气体始终保持等压状态，不存在渗透压力，氢气不会向外部渗漏。所以⑤采用本发明提供的方法，具有很高的免维护特性，完全可以保证壳内氢气长期反复使用。

⑥本发明提供的“隔膜空气重量增减法”同样能适用于“低承载、高升限”类球艇。其所不同的是，在充入空气时，“氢气空间”必须向外部空间释放氢气。以在充入空气时降低高弹模壳层的张力。因为“高升限”飞艇的浮力差很大，要求充入的空气重量体积远大于升限在1000米以内的飞艇，虽然充入空气后，壳内所增压仍然有限，但由壳内增压而引起的张力却是不容忽视的。虽然可以采用增加高弹模壳层厚度的方法，以保证壳体强度。但由于这一方法会使壳体自重增大，降低飞艇升限，所以较理想的方法是采用向外部释放氢气的方法，即向燃氢发动输送氢气。以降低壳内气体压力，减小壳层所受张力。

⑦为能进一步保证氢气的使用安全，特别是保证载人飞艇的使用安全。可以在本发明所提供的方法原理的基础上，在壳体下半部分内表面上再增设，贴附一层簿膜(10)，以使充“氢气空间”和“空气空间”不再共用同一块隔膜，使二空间成为被双层隔膜(7)和(10)，以及双层隔膜之间充有一定厚度的惰性气体(氦气)层(13)分隔开的相互独立的空间。采用这一措施，不仅能更严格地分隔壳内氢气和空气，而更重要是它能有效防止簿膜因故出现漏洞时，氢气与空气混合而可能引发的事故。如：因故在上下层隔膜上都产生了漏洞，即在惰性气体层(氦气层)中同时混入了一定量的氢气和空气。由于氢气密度小于氦气，浮于氦气层之上，空气密度大于氦气，处于氦气层之下，因此混在氦气层中的空气和氢气，能被氦气隔开，而不能发生反应，所以采用这一方法措施，能更进一步地保证载人飞艇的使用安全。在壳内设置两层隔膜并在两层隔膜之间充入氦气的方法是：在垒砌粘接中间施力壳层的同时，在壳体的上半部分和下半部分的内表面上，分别各贴附一层簿膜(7)和(10)，当从壳体上端的氢气进出口(11)持续充入氢气后，贴附在上半部分内表面上的簿膜(7)与内表面脱离，并下移，直至该簿膜(7)与下半部分隔膜(10)相互贴合，壳内空气排尽为止，这时在两层簿膜之间充入氦气(13)即可。这种载人气球、飞艇的“氢气空间”(5)是由上层簿膜(7)与壳体上半部分内表面构成的。而“空气空间”(6)是由下层簿膜(10)与壳体下半部分内表面构成的。

Claims (6)

1、一种能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇，它是由壳体(1)——俗称气囊，充入在壳内的氢气或氦气(2)、载人或载货仓室(3)、以及安装在壳体外部的动力推进装置(4)四个部分组成，其外形可以有多种样式如：球形、椭球形、胶囊药丸形，该气球、飞艇是完全依靠空气提供的浮力，实现空中悬浮，以完成广播、通讯空中平台所应完成的工作，当壳外安装了动力推进装置(4)后，即为飞艇，主要完成空中运输、吊运工作，其特征在于：该气球、飞艇的壳体为硬质材料，其壳体采用的是一种无内部框架的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”，在其壳内设有一层或多层，能将壳内空间分隔成“氢气空间”(5)和“空气空间”(6)的整块隔膜(7)，其安全充加氢气，使用氢气，以及其升与降的控制，依靠的是一种“隔膜充氢及隔膜空气重量增减法”。

2、用于权利要求1所述气球、飞艇的，一种无内部框架的壳体——“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”，其特征在于：A结构特征：该壳体为多层层合结构，它分别由中间施力壳层(8)与外层高弹性模数材料壳层(9)层合构成，或由中间施力壳层与内、外高弹模材料壳层，层合构成，其高弹性模数材料壳层(9)，可以是纤维复合材料壳层，或是内、外钢质材料双壳层，或是设置于壳壁内的高强度工程塑料构架层，其中间施力壳层(8)由低密度或低弹性模数材料构成，其材料可以是聚苯乙烯塑料泡沫，或是硬质聚胺脂泡沫塑料(I)型、(II)型，B技术特征；该壳体的施力壳层(8)，在制造过程中，能通过预压紧合——层合工艺，超前完成受力变形，并能将其在预压紧合——层合的工艺过程中获得的预压紧力，通过材料弹性变形回复力的方式，施力作用于层合在其外的高弹性模数材料壳层(9)上，使高弹性模数材料壳层(9)能在壳内外气压相等的状态下，以及工作压力小于预压紧力的工作状态下，处于受拉张紧的“理想受力状态”，该壳体是以其自身所获得的张力，实现抵抗壳体受力变形的目的，和避免工作受压时，壳体可能出现的“簿壁壳受压屈曲稳定问题”的，这种结构的壳体的用途是：专用于硬壳气球、飞艇和应用于船身、机身、潜艇、车厢以及密封容器，壳式建筑大型承力壳体的制造。

3、一种能实现权利要求1所述的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”的制造方法，其方法过程如下：

A、用低密度材料预制成的厚板材、块材，依附预先挖掘或搭建的半圆弧形凹槽(14)，采用建筑垒砌砖块的方法，交错排列，直接粘接成中间施力壳层的壳体(8)，在粘接时，首先粘出一个圆拱环段(15)，由于厚板材之间是交错排列的，厚板材两两之间在粘接成圆拱环段后，能自然形成凹槽(16)，而后利用所形成的凹槽(16)从壳体的径向或轴线方向插入粘接下一块厚板或块材，直至达到该施力壳层设计要求的尺寸和模样为止，封闭其门、窗、进排气口部分，使该壳层成为完全封闭的空间。

B、抽取密闭壳内的部分、或全部空气，或采用壳外增加空气压力的方法，形成壳内外大气压差，即利用所形成的大气压差，在其材料的弹性变形范围内，对所制成的中间施力壳层(8)实施整体预压，使该壳层产生紧合、变形，直至厚板材、块材之间的紧合力、挤压应力达到设计要求为止。

C、保持壳内负压值，即在保持壳内外大气压差的情况下，实施高弹性模数材料壳层(9)与处于预压紧合变形状态下的施力壳层(8)之间的层合，即在处于预压紧合变形状态下的中间施力壳层之上，用现有技术中的“手工糊制成型法”或“注射成型法”，整体铺设纤维复合材料壳层，或内外钢质材料双壳层，或壁内局部的、整体的高强度工程塑料构架层。

D、待整体铺设的纤维复合材料壳层固化后，及上述步骤完成后，撤除大气压载，即拆除门、窗、进排气口工艺密封部分，使壳体内外气体恢复至常压，撤除大气压载后，已发生过预压紧合变形的中间施力壳层(8)，则能以材料弹性变形回复力的施力方式，施力作用于层合在其外的高弹性模数材料壳层(9)上，使之在壳内外气压相等的状况下，始终处于受拉张紧的“理想受力状态”，并以此获得的张力实现抵抗壳体受力变形之目的。

4、实现权利要求1所述的，一种能使硬壳气球、飞艇安全充加氢气，使用氢气，并能控制其升降的“隔膜充氢及隔膜空气重量增减法”，其方法过程如下：

A、在垒砌中间施力壳层(8)上半部分壳体的同时，在壳体上半部分的全部内表面上，贴附一层簿膜(7)，要求簿膜有很好的气密性，簿膜与壳壁表面之间的粘接力要小，即能使簿膜附着在壳壁上为宜，簿膜相互之间的拼接处必须粘牢，不漏气，簿膜的边缘与壳壁也必须粘牢，不漏气。

B、当向壳内充加氢气时，由设置在壳体上端的氢气进出口(11)向簿膜与壳壁之间的狭缝内充入氢气，受氢气的推动作用，簿膜与壳壁内表面脱离，并在壳内向下运动，壳内空间自然的形成两个被隔膜分隔的密闭部分，其一是“氢气空间”(5)，随着氢气充入量的增大该空间逐步扩大，另一个是“空气空间”(6)，随着氢气充入量的增大，该空间逐步缩小，其内的空气由设置在壳体下部的空气进出口(12)排出，持续充氢至簿膜(7)与壳体下半部分内表面贴合，“空气空间”的空气完全排出，并使壳内氢气压力达到设计要求为止。

C、气球、飞艇的升与降的控制，是依靠调节控制壳内“空气空间”的空气重量实现的，其方法是：当气球、飞艇欲从某飞行高度下降时，由设置在壳体下部的空气进出口(12)向壳内的“空气空间”持续地充入空气，原充氢后贴合在壳体下半部分内表面上的簿膜在充入空气的推动下，与内表面脱离，并在壳内向上运动，使“空气空间”逐步扩大，“氢气空间”逐步缩小，随着充入的空气重量的增加，气球、飞艇的合密度增大，飞艇处于下降阶段，反之气球飞艇需重新上升时，打开壳体下端的空气进出口(12)，将“空气空间”的空气排出壳外即可，在上述过程中“氢气空间”是逐步缩小的，壳内气压逐步增大，其内的氢气是否向外部排出，视气球飞艇的种类而定：一般运载气球、飞艇，载人气球、飞艇以及“高承载，低升限”类飞艇，在“氢气空间”缩小时，可以不向外排放氢气，而“低承载，高升限”类气球、飞艇，则需在“氢气空间”缩小的过程中，向壳体外部排放氢气，以降低壳内气体压力，保证该种类气球飞艇壳体的抗拉强度。

5、根据权利要求1所述的硬壳气球、飞艇，当以之作为载人气球、飞艇使用时，其特征在于：在其壳内设置了两层隔膜(7)和(10)，并在两层隔膜之间充入了一层厚度大于0.2米的隋性气体层——氦气层(13)，设置两层隔膜和在两层隔膜之间充入隋性气体的方法是：在垒砌粘接中间施力壳层(8)的同时，在壳体的上半部分和下半部分的内表面上，分别各贴附一层簿膜(7)和(10)，当从壳体上端的氢气进出口(11)持续充入氢气后，贴附在上半部分内表面上的簿膜与内表面脱离，并下移，直至该簿膜与下半部隔膜相互贴合，壳内空气排尽为止，这时在两层簿膜之间充入氦气即可，这种载人气球、飞艇的“氢气空间”(5)是由上层簿膜(7)与壳体上半部分内表面构成的，而“空气空间”(6)是由下层簿膜(10)与壳体下半部分内表面构成的。

6、根据权利要求1所述的硬壳气球、飞艇，为满足其“高承载”或“高升限”的特殊用途，即当以之作为“高承载、低升限”或“低承载、高升限”型气球、飞艇使用时，其特征在于：为能使该类型气球、飞艇，满足其“高承载”或“高升限”的特殊使用目的，必须从根本上减轻壳体自重，其具体做法是：在利用隔膜完成充氢，或在壳内气体增压，保证高弹模材料壳层所受张力大于0之后，拆除或部分拆除中间施力壳层，对于“高承载、低升限”类气球、飞艇，最适宜采用部分拆除中间施力壳层并使其垂直使用的方案，拆除时可采用以下现有技术：A手工拆除，B机械拆除，C化学药剂溶解。

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