專利名稱：充氣骨架空中展開式飛艇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種充氣骨架空中展開式飛艇，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑒于平流層飛艇的特殊工作高度環(huán)境，即空氣稀薄(大約為地面大氣密度的 1/14)和氣流平穩(wěn)，在此環(huán)境條件下，為了維持囊體外形和保持結(jié)構(gòu)剛度所需要的內(nèi)外壓差 不是很大，因此所需的蒙皮材料強度和剛度要求就不是很高。而艇體在升空過程中要經(jīng)受 強風(fēng)、渦流等天氣因素的影響，由于平流層飛艇大多采用軟式飛艇，需要保持一定的囊體內(nèi) 外壓差以滿足強度剛度條件，內(nèi)外壓差直接決定蒙皮張力，這就在一定程度上提高了蒙皮 材料重量。因此，美國學(xué)者提出了一種空中展開飛艇的概念。空中展開飛艇在地面處于柔性 折疊狀態(tài)，內(nèi)部殘余少量氦氣，通過高壓氣球或其他升空裝置進行輔助升空；隨著升空高度 的增加，外部大氣壓強的降低，飛艇內(nèi)部的殘余氣體逐漸膨脹成形；到達工作高度，飛艇展 開成形?？罩姓归_飛艇不改變平流層飛艇傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，只是通過改變升空方式達到蒙皮 材料減重的目的。這種新型的平流層飛艇降低了蒙皮材料的強度要求，有望利用現(xiàn)有成熟 的蒙皮材料技術(shù)研制完成平流層飛艇平臺，因此其發(fā)展得到了廣泛關(guān)注。優(yōu)點空中展開飛艇的蒙皮設(shè)計只考慮工作高度的環(huán)境條件，避免低空大氣對囊 體的作用，在很大程度上降低了蒙皮材料的強度要求，達到了囊體結(jié)構(gòu)輕量化目的；同時克 服了地面停泊、存放大型飛艇的困難。由于目前存在的空中展開飛艇大多采用軟式囊體結(jié)構(gòu)，因此其發(fā)展過程中還主要 存在以下問題首先，在工作高度蒙皮材料始終要承受保持囊體外形所需要的內(nèi)部氣壓載 荷，蒙皮材料強度要求還沒有得到大幅度降低；其次，飛艇工作高度空氣稀薄，為了提供飛 艇駐空所需要的浮力，需要不斷增大囊體體積，而蒙皮表面的張力與囊體直徑直接相關(guān)。因 此，空中展開飛艇囊體強度的要求決定其體積不能過大，這就限制了空中展開飛艇的大型 化；再者，在升空過程中，強風(fēng)、渦流容易撕裂折疊狀態(tài)的軟式囊體與吊艙和其他剛性結(jié)構(gòu) 的連接部位，造成升空試驗失敗。同時軟式囊體結(jié)構(gòu)也給空中展開飛艇囊體結(jié)構(gòu)的重復(fù)利 用帶來了一定的技術(shù)難題，所以在現(xiàn)有技術(shù)的條件下，空中展開飛艇的艇體一般是一次性 使用。這些問題在一定程度上影響了空中展開飛艇順利發(fā)展，有些甚至成為亟待解決的技 術(shù)難題。針對空中展開飛艇結(jié)構(gòu)所面臨的問題，需要對空中展開飛艇結(jié)構(gòu)進行一定的改 進，在繼承空中展開飛艇優(yōu)勢的基礎(chǔ)上克服其所存在的問題，得到一種更加合理、可靠的空 中展開飛艇形式。分析研究表明，增加骨架系統(tǒng)成為解決上述問題的一個行之有效的方法。 首先，骨架系統(tǒng)可以降低工作高度囊體的內(nèi)外壓差并分擔(dān)蒙皮表面張力，降低蒙皮材料強 度要求；其次，骨架系統(tǒng)的引入，為空中展開飛艇的大型化和重復(fù)利用奠定了基礎(chǔ)；再者， 骨架系統(tǒng)可以承擔(dān)飛艇升空過程受到的強風(fēng)、渦流作用，避免囊體撕裂。但骨架系統(tǒng)必須具
3有的良好的結(jié)構(gòu)特性以及其與蒙皮的連接可靠性和匹配性，同時骨架重量需要得到一定的 控制并滿足折疊展開要求。

發(fā)明內(nèi)容
本申請是專利申請CN101229848A的系列申請，對飛艇的縱橫骨架的連接提出了
進一步的改進。本飛艇改變了軟式飛艇囊體結(jié)構(gòu)，增加了骨架系統(tǒng)，該骨架系統(tǒng)由充氣環(huán)和碳纖 維桿組成，不同于傳統(tǒng)的硬式飛艇，硬式飛艇骨架重量重，不可折疊，一旦破壞不可恢復(fù)。本 飛艇骨架則解決了上述問題，其骨架系統(tǒng)能夠有效折疊并利用充氣方式進行穩(wěn)定可靠展 開。同時，骨架系統(tǒng)的重量也比普通硬式骨架低，進一步實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。充氣骨架技術(shù)的引入，實現(xiàn)了飛艇地面和升空過程的有效折疊，克服了升空過程 強風(fēng)、渦流等惡劣天氣的影響，降低了蒙皮材料的強度要求；充氣后具有一定結(jié)構(gòu)剛度和強 度的充氣骨架有效保持了囊體外形，降低了囊體內(nèi)外壓差，從而降低了蒙皮表面的張力，實 現(xiàn)了囊體的輕量化；骨架系統(tǒng)還為空中展開飛艇的大型化與重復(fù)利用奠定了基礎(chǔ)；升空過 程中的剛性骨架承擔(dān)外部載荷，大大提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。同時由于充氣骨 架采用超輕薄膜材料，剛性骨架采用超輕碳纖維桿，保證了骨架系統(tǒng)的重量要求以及與囊 體的連接可靠性和兼容性。采用充氣骨架作為新型空中展開飛艇的形狀支撐結(jié)構(gòu)，其折疊 /展開技術(shù)、材料技術(shù)、加工成型技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析技術(shù)都比較成熟，并且具有形狀自恢復(fù) 能力，能夠最大程度地降低空中展開飛艇研制風(fēng)險，具有較好的發(fā)展?jié)摿Α榱丝朔谏者^程中，強風(fēng)、渦流容易撕裂折疊狀態(tài)的軟式囊體與吊艙和其他 剛性結(jié)構(gòu)的連接部位，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種充氣骨架空中展開式飛艇，它由艇體1、 尾翼2、尾部推進器3、連接件7、有效載荷艙8、太陽能電池板9、頭錐10、第一輔助繩索11、 自動充氣裝置12、第二輔助繩索13和一個高空氣球14組成，其特征在于所述艇體1的維形 件為蒙皮4，縱向件為剛性骨架5，環(huán)向件為充氣骨架6，所述充氣骨架6通過連接件與剛性 骨架5連接，所述蒙皮4固接在剛性骨架5與充氣骨架6形成的網(wǎng)格的外表面上，所述尾翼 2設(shè)置在艇體1的尾部且與蒙皮4固接，所述尾部推進器3安裝在艇體1的尾部端面上且 與蒙皮4固接，所述有效載荷艙8通過第一輔助繩索11安裝在艇體1外部的下方，所述第 一輔助繩索11固接在蒙皮4上，所述太陽能電池板9安裝在艇體1的上部部分區(qū)域且與蒙 皮4固接，所述頭錐10固裝在艇體1的頭部，所述自動充氣裝置12設(shè)置在艇體1的內(nèi)部， 且與充氣骨架6連通，艇體1的內(nèi)部有預(yù)留氦氣；其中所述的剛性骨架為縱向剛性碳纖維桿骨架21 ；所述的充氣骨架為環(huán)向骨充 氣織物環(huán)22 ；在飛艇的縱向剛性碳纖維桿骨架21和環(huán)向充氣織物環(huán)22連接處設(shè)計有連接 件7，連接件分別為剛性連接部件18和柔性連接部件19，其中剛性連接部件18的作用是將 縱向剛性碳纖維桿骨架21與環(huán)向充氣織物環(huán)22連接在一起；而柔性連接部件19的作用是 將蒙皮4與剛性連接部件18連接在一起，進而與縱向剛性碳纖維桿骨架21與環(huán)向充氣織 物環(huán)22連接在一起，組成體系；剛性連接部件由Ω形桿15，連接套管16和螺釘17組成； Ω形桿15采用鋁材，形狀為半圓桿段和兩個成直角桿段的組合，其中每個直角桿段均與半 圓桿段相切且對稱放置；半圓桿段的作用是與環(huán)向充氣織物環(huán)22充分接觸，起到約束環(huán)向 充氣織物環(huán)22的作用；而直角桿段連接蒙皮4的桿段的作用是與蒙皮4連接，進而將環(huán)向充氣織物環(huán)22約束在蒙皮4上；結(jié)構(gòu)采用半圓而非整圓設(shè)計的目的是降低因環(huán)向充氣織物 環(huán)22的平移而導(dǎo)致蒙皮4的彎曲變形；連接套管16的材料也為鋁材，為一圓筒形套管，兩 端分別插入縱向剛性碳纖維桿和Ω形桿15，使得縱向碳纖維桿與Ω形桿15在一條直線 上，連接為一體，整體承力；螺釘17垂直于連接套管釘入連接套管中，固定Ω形桿和縱向碳 纖維桿，避免因結(jié)構(gòu)振動而導(dǎo)致各部件分離，材料也為鋁材，密度為2. 7g/cm3 ；柔性連接部 件由自由面31、粘接面32和扣眼33組成；自由面31和粘接面32為一個整體，材料相同， 材料采用和蒙皮相同的材料，為樹脂基Kevlar平紋編織布或樹脂基Vectran平紋編織布； 柔性連接部件的自由面對折后將連接套管16包裹在其中，用繩索24穿過扣眼33固定。所述充氣骨架6是復(fù)合薄膜材料制成的充氣環(huán)，所述蒙皮4材料的單位面積的重 量為100g/m2-200g/m2，所述剛性骨架5由輕質(zhì)高性能碳纖維復(fù)合材料制成。利用高空氣球進行輔助升空，飛艇在地面時為折疊狀態(tài)，飛艇達到一定的高度后， 飛艇靠艇體內(nèi)部的預(yù)留氦氣膨脹展開形成初步外形，當飛艇達到預(yù)定的工作高度后，通過 自動充氣裝置向充氣骨架內(nèi)填充高壓氣體，形成具有一定剛度的充氣骨架，支撐整個艇體， 保證飛艇具有一定的氣動外形。


圖1為飛艇結(jié)構(gòu)示意2為剛性連接部件示意3為柔性連接部件示意4為剛性連接部件與柔性連接部件連接示意5為剛性連接部件、柔性連接部件與剛性骨架、充氣骨架連接示意圖1、艇體；2、尾翼；3、尾部推進器；4、蒙皮；5、剛性骨架；6、充氣骨架；7、連接件；8、 有效載荷艙；9、太陽能電池板；10、頭錐；11、第一輔助繩索；12、自動充氣裝置；13、第二輔 助繩索；14、一個高空氣球；15、Ω形桿；16、連接套管；17、螺釘；18、剛性連接部件；19、柔 性連接部件；21、縱向剛性碳纖維桿骨架；22、環(huán)向充氣織物環(huán)；23、膠；24、繩索；31、自由 面；32、粘接面；33、扣眼
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細地說明。由圖1-圖4可知，充氣骨架空中展開式飛艇由艇體1、尾翼2、尾部推進器3、連接 件7、有效載荷艙8、太陽能電池板9、頭錐10、第一輔助繩索11、自動充氣裝置12、第二輔助 繩索13和一個高空氣球14組成，其特征在于所述艇體1的維形件為蒙皮4，縱向件為剛性 骨架5，環(huán)向件為充氣骨架6，所述充氣骨架6通過連接件與剛性骨架5連接，所述蒙皮4固 接在剛性骨架5與充氣骨架6形成的網(wǎng)格的外表面上，所述尾翼2設(shè)置在艇體1的尾部且 與蒙皮4固接，所述尾部推進器3安裝在艇體1的尾部端面上且與蒙皮4固接，所述有效載 荷艙8通過第一輔助繩索11安裝在艇體1外部的下方，所述第一輔助繩索11固接在蒙皮4 上，所述太陽能電池板9安裝在艇體1的上部部分區(qū)域且與蒙皮4固接，所述頭錐10固裝 在艇體1的頭部，所述自動充氣裝置12設(shè)置在艇體1的內(nèi)部，且與充氣骨架6連通，艇體1 的內(nèi)部有預(yù)留氦氣；所述的剛性骨架為縱向剛性碳纖維桿骨架21 ；所述的充氣骨架為環(huán)向骨充 氣織物環(huán)22 ；在飛艇的縱向剛性碳纖維桿骨架21和環(huán)向充氣織物環(huán)22連接處設(shè)計有連接 件7，連接件分別為剛性連接部件18和柔性連接部件19，其中剛性連接部件18的作用是將 縱向剛性碳纖維桿骨架21與環(huán)向充氣織物環(huán)22連接在一起；而柔性連接部件19的作用是 將蒙皮4與剛性連接部件18連接在一起，進而與縱向剛性碳纖維桿骨架21與環(huán)向充氣織 物環(huán)22連接在一起，組成體系；剛性連接部件由Ω形桿15，連接套管16和螺釘17組成； Ω形桿15采用鋁材，形狀為半圓桿段和兩個成直角桿段的組合，其中每個直角桿段均與半 圓桿段相切且對稱放置；半圓桿段的作用是與環(huán)向充氣織物環(huán)22充分接觸，起到約束環(huán)向 充氣織物環(huán)22的作用；而直角桿段連接蒙皮4的桿段的作用是與蒙皮4連接，進而將環(huán)向 充氣織物環(huán)22約束在蒙皮4上；結(jié)構(gòu)采用半圓而非整圓設(shè)計的目的是降低因環(huán)向充氣織物 環(huán)22的平移而導(dǎo)致蒙皮4的彎曲變形；連接套管16的材料也為鋁材，為一圓筒形套管，兩 端分別插入縱向剛性碳纖維桿和Ω形桿15，使得縱向碳纖維桿與Ω形桿15在一條直線 上，連接為一體，整體承力；螺釘17垂直于連接套管釘入連接套管中，固定Ω形桿和縱向碳 纖維桿，避免因結(jié)構(gòu)振動而導(dǎo)致各部件分離，材料也為鋁材，密度為2. 7g/cm3 ；柔性連接部 件由自由面31、粘接面32和扣眼33組成；自由面31和粘接面32為一個整體，材料相同， 材料采用和蒙皮相同的材料，為樹脂基Kevlar平紋編織布或樹脂基Vectran平紋編織布； 柔性連接部件的自由面對折后將連接套管16包裹在其中，用繩索24穿過扣眼33固定。剛性連接部件采用Ω形桿而非采用直桿的優(yōu)點是增大了縱向剛性碳纖維桿骨 架與環(huán)向骨充氣織物環(huán)的接觸面積，使它們之間連接更加牢固；避免了在環(huán)向骨充氣織物 環(huán)與蒙皮之間加入直桿而造成的空隙；采用Ω形桿相比采用直桿時中間部分具有一定的 緩沖空間，當對艇體進行折疊展開過程時起到緩沖作用，不易折斷。所述充氣骨架6是復(fù)合薄膜材料制成的充氣環(huán)，所述蒙皮4材料的單位面積的重 量為100g/m2-200g/m2，所述剛性骨架5由輕質(zhì)高性能碳纖維復(fù)合材料制成。利用高空氣球進行輔助升空，飛艇在地面時為折疊狀態(tài)，飛艇達到一定的高度后， 飛艇靠艇體內(nèi)部的預(yù)留氦氣膨脹展開形成初步外形，當飛艇達到預(yù)定的工作高度后，通過 自動充氣裝置向充氣骨架內(nèi)填充高壓氣體，形成具有一定剛度的充氣骨架，支撐整個艇體， 保證飛艇具有一定的氣動外形。
權(quán)利要求
一種充氣骨架空中展開式飛艇，它由艇體(1)、尾翼(2)、尾部推進器(3)、連接件(7)、有效載荷艙(8)、太陽能電池板(9)、頭錐(10)、第一輔助繩索(11)、自動充氣裝置(12)、第二輔助繩索(13)和兩個高空氣球(14)組成，其特征在于所述艇體(1)的維形件為蒙皮(4)，縱向件為剛性骨架(5)，環(huán)向件為充氣骨架(6)，所述充氣骨架(6)通過連接件(7)與剛性骨架(5)連接，所述蒙皮(4)固接在剛性骨架(5)與充氣骨架(6)形成的網(wǎng)格的外表面上，所述尾翼(2)設(shè)置在艇體(1)的尾部且與蒙皮(4)固接，所述尾部推進器(3)安裝在艇體(1)的尾部端面上且與蒙皮(4)固接，所述有效載荷艙(8)通過第一輔助繩索(11)安裝在艇體(1)外部的下方，所述第一輔助繩索(11)固接在蒙皮(4)上，所述太陽能電池板(9)安裝在艇體(1)的上部部分區(qū)域且與蒙皮(4)固接，所述頭錐(10)固裝在艇體(1)的頭部，所述自動充氣裝置(12)設(shè)置在艇體(1)的內(nèi)部，且與充氣骨架(6)連通，艇體(1)的內(nèi)部有預(yù)留氦氣。其中所述的剛性骨架(5)為縱向剛性碳纖維桿骨架(21)；所述的充氣骨架(6)為環(huán)向骨充氣織物環(huán)(22)；在飛艇的縱向剛性碳纖維桿骨架(21)和環(huán)向充氣織物環(huán)(22)連接處設(shè)計有連接件(7)，連接件分別為剛性連接部件(18)和柔性連接部件(19)，其中剛性連接部件(18)的作用是將縱向剛性碳纖維桿骨架(21)與環(huán)向充氣織物環(huán)(22)連接在一起；而柔性連接部件(19)的作用是將蒙皮(4)與剛性連接部件(18)連接在一起，進而與縱向剛性碳纖維桿骨架(21)與環(huán)向充氣織物環(huán)(22)連接在一起，組成體系；剛性連接部件由Ω形桿(15)，連接套管(16)和螺釘(17)組成；Ω形桿(15)采用鋁材，形狀為半圓桿段和兩個成直角桿段的組合，其中每個直角桿段均與半圓桿段相切且對稱放置；半圓桿段的作用是與環(huán)向充氣織物環(huán)(22)充分接觸，起到約束環(huán)向充氣織物環(huán)(22)的作用；而直角桿段連接蒙皮(4)的桿段的作用是與蒙皮(4)連接，進而將環(huán)向充氣織物環(huán)(22)約束在蒙皮(4)上；結(jié)構(gòu)采用半圓而非整圓設(shè)計的目的是降低因環(huán)向充氣織物環(huán)(22)的平移而導(dǎo)致蒙皮(4)的彎曲變形；連接套管(16)的材料也為鋁材，為一圓筒形套管，兩端分別插入縱向剛性碳纖維桿和Ω形桿(15)，使得縱向碳纖維桿與Ω形桿(15)在一條直線上，連接為一體，整體承力；螺釘(17)垂直于連接套管釘入連接套管中，固定Ω形桿和縱向碳纖維桿，避免因結(jié)構(gòu)振動而導(dǎo)致各部件分離，材料也為鋁材，密度為2.7g/cm3；柔性連接部件由自由面(31)、粘接面(32)和扣眼(33)組成；自由面(31)和粘接面(32)為一個整體，材料相同，材料采用和蒙皮相同的材料，為樹脂基Kevlar平紋編織布或樹脂基Vectran平紋編織布；柔性連接部件的自由面對折后將連接套管(16)包裹在其中，用繩索(24)穿過扣眼(33)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述空中展開式飛艇，其特征在于所述充氣骨架(6)是復(fù)合薄膜材 料制成的充氣環(huán)，所述蒙皮(4)材料的單位面積的重量為100g/m2-200g/m2，所述剛性骨架(5)由輕質(zhì)高性能碳纖維復(fù)合材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空中展開式飛艇的升空方法，其特征在于利用高空氣球進 行輔助升空，飛艇在地面時為折疊狀態(tài)，飛艇達到一定的高度后，飛艇靠艇體內(nèi)部的預(yù)留氦 氣膨脹展開形成初步外形，當飛艇達到預(yù)定的工作高度后，通過自動充氣裝置向充氣骨架 內(nèi)填充高壓氣體，形成具有一定剛度的充氣骨架，支撐整個艇體，保證飛艇具有一定的氣動 外形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種充氣骨架空中展開式飛艇，它由艇體1、尾翼2、尾部推進器3、連接件7、有效載荷艙8、太陽能電池板9、頭錐10、第一輔助繩索11、自動充氣裝置12、第二輔助繩索13和兩個高空氣球14組成，其特征在于所述艇體1的維形件為蒙皮4，縱向件為剛性骨架5，環(huán)向件為充氣骨架6，所述充氣骨架6通過連接件與剛性骨架5連接，所述蒙皮4固接在剛性骨架5與充氣骨架6形成的網(wǎng)格的外表面上?？朔谏者^程中，強風(fēng)、渦流容易撕裂折疊狀態(tài)的軟式囊體與吊艙和其他剛性結(jié)構(gòu)的連接部位。
文檔編號B64B1/08GK101913424SQ20101020800
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者杜振勇, 林國昌, 王超, 王長國, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)