[发明专利]充气骨架空中展开式飞艇

说明书

技术领域

本发明涉及一种充气骨架空中展开式飞艇，属于航空航天技术领域。

背景技术

鉴于平流层飞艇的特殊工作高度环境，即空气稀薄(大约为地面大气密度的1/14)和气流平稳，在此环境条件下，为了维持囊体外形和保持结构刚度所需要的内外压差不是很大，因此所需的蒙皮材料强度和刚度要求就不是很高。而艇体在升空过程中要经受强风、涡流等天气因素的影响，由于平流层飞艇大多采用软式飞艇，需要保持一定的囊体内外压差以满足强度刚度条件，内外压差直接决定蒙皮张力，这就在一定程度上提高了蒙皮材料重量。

因此，美国学者提出了一种空中展开飞艇的概念。空中展开飞艇在地面处于柔性折叠状态，内部残余少量氦气，通过高压气球或其他升空装置进行辅助升空；随着升空高度的增加，外部大气压强的降低，飞艇内部的残余气体逐渐膨胀成形；到达工作高度，飞艇展开成形。

空中展开飞艇不改变平流层飞艇传统结构形式，只是通过改变升空方式达到蒙皮材料减重的目的。这种新型的平流层飞艇降低了蒙皮材料的强度要求，有望利用现有成熟的蒙皮材料技术研制完成平流层飞艇平台，因此其发展得到了广泛关注。

优点：空中展开飞艇的蒙皮设计只考虑工作高度的环境条件，避免低空大气对囊体的作用，在很大程度上降低了蒙皮材料的强度要求，达到了囊体结构轻量化目的；同时克服了地面停泊、存放大型飞艇的困难。

由于目前存在的空中展开飞艇大多采用软式囊体结构，因此其发展过程中还主要存在以下问题：首先，在工作高度蒙皮材料始终要承受保持囊体外形所需要的内部气压载荷，蒙皮材料强度要求还没有得到大幅度降低；其次，飞艇工作高度空气稀薄，为了提供飞艇驻空所需要的浮力，需要不断增大囊体体积，而蒙皮表面的张力与囊体直径直接相关。因此，空中展开飞艇囊体强度的要求决定其体积不能过大，这就限制了空中展开飞艇的大型化；再者，在升空过程中，强风、涡流容易撕裂折叠状态的软式囊体与吊舱和其他刚性结构的连接部位，造成升空试验失败。同时软式囊体结构也给空中展开飞艇囊体结构的重复利用带来了一定的技术难题，所以在现有技术的条件下，空中展开飞艇的艇体一般是一次性使用。这些问题在一定程度上影响了空中展开飞艇顺利发展，有些甚至成为亟待解决的技术难题。

针对空中展开飞艇结构所面临的问题，需要对空中展开飞艇结构进行一定的改进，在继承空中展开飞艇优势的基础上克服其所存在的问题，得到一种更加合理、可靠的空中展开飞艇形式。分析研究表明，增加骨架系统成为解决上述问题的一个行之有效的方法。首先，骨架系统可以降低工作高度囊体的内外压差并分担蒙皮表面张力，降低蒙皮材料强度要求；其次，骨架系统的引入，为空中展开飞艇的大型化和重复利用奠定了基础；再者，骨架系统可以承担飞艇升空过程受到的强风、涡流作用，避免囊体撕裂。但骨架系统必须具有的良好的结构特性以及其与蒙皮的连接可靠性和匹配性，同时骨架重量需要得到一定的控制并满足折叠展开要求。

发明内容

本申请是专利申请CN101229848A的系列申请，对飞艇的纵横骨架的连接提出了进一步的改进。

本飞艇改变了软式飞艇囊体结构，增加了骨架系统，该骨架系统由充气环和碳纤维杆组成，不同于传统的硬式飞艇，硬式飞艇骨架重量重，不可折叠，一旦破坏不可恢复。本飞艇骨架则解决了上述问题，其骨架系统能够有效折叠并利用充气方式进行稳定可靠展开。同时，骨架系统的重量也比普通硬式骨架低，进一步实现了结构的轻量化。

充气骨架技术的引入，实现了飞艇地面和升空过程的有效折叠，克服了升空过程强风、涡流等恶劣天气的影响，降低了蒙皮材料的强度要求；充气后具有一定结构刚度和强度的充气骨架有效保持了囊体外形，降低了囊体内外压差，从而降低了蒙皮表面的张力，实现了囊体的轻量化；骨架系统还为空中展开飞艇的大型化与重复利用奠定了基础；升空过程中的刚性骨架承担外部载荷，大大提高了整个结构的安全性和可靠性。同时由于充气骨架采用超轻薄膜材料，刚性骨架采用超轻碳纤维杆，保证了骨架系统的重量要求以及与囊体的连接可靠性和兼容性。采用充气骨架作为新型空中展开飞艇的形状支撑结构，其折叠/展开技术、材料技术、加工成型技术、结构设计分析技术都比较成熟，并且具有形状自恢复能力，能够最大程度地降低空中展开飞艇研制风险，具有较好的发展潜力。