[发明专利]平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法及制备方法

说明书

本发明提供一种平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法、平流层飞艇及其制备方法，所述仿真方法包括以下步骤：(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；(2)进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力，作为加筋强化区域；(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。

技术领域

本发明涉及平流层大飞艇的技术领域，具体涉及一种平流层飞艇艇囊强化和轻量化的仿真方法、平流层大飞艇及其制备方法。

背景技术

平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，依靠空气浮力驻空，通过太阳能为其提供能源动力，并带有推进系统，具有不依赖机场或跑道可实现垂直起降、能悬停于任意地理位置上空，运行高度超出空管范围，不受对流层恶劣天气影响，可全天侯全天时连续工作，载荷能力强，费效比高，探测范围广等优点，在国防与民用中有着广泛的应用前景。

目前，国内外平流层飞艇以软式为主，不同于硬式、半硬式飞艇的结构形式，软式飞艇在平流层中完全由艇囊结构承受囊体内外气体压差带来的表面张力控制。平流层环境苛刻，对艇囊蒙皮材料强度要求很高，传统提升飞艇结构强度的方法主要有直接加强蒙皮材料性能，改变飞艇结构形式。例如多囊体分段式飞艇，变体飞艇等，但试验过程中不断有新式问题出现，也没有从根本上解决飞艇轻量化的问题。例如现有技术CN106240844A一种平流层飞艇囊体强度的设计方法，该发明依据平流层飞艇囊体强度设计公式准确的确定飞艇囊体厚度，有效减小平流层飞艇囊体强度设计理论中的设计误差，提高囊体设计的可靠性，但是该发明是从针对艇囊表面整体区域进行强化，难以兼顾飞艇结构轻量化。

研究显示一般飞艇艇囊结构重量占飞艇浮力的40％～60％，而蒙皮材料是平流层飞艇重量和尺寸控制的基础，同时蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗透性能最佳、耐候性最好的轻质材料。可见，蒙皮材料的重量严重影响飞艇的载重性能。因此，从蒙皮材料上入手进行飞艇的减重是实现飞艇结构轻量化的根本措施，且具有针对性。基于此，亟待针对平流层飞艇设计过程中结构轻量化和艇囊强化之间互相制约的难题，研发一种平流层飞艇艇囊在保证艇囊整体应力降低，结构得到整体强化的同时，兼顾了飞艇轻量化这一重要指标的方法。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种平流层飞艇艇囊强化和轻量化的仿真方法，包括以下步骤：

(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；

(2)估计飞艇内部气体在平流层驻留时可能产生的超压范围，以最大超压值作为加载条件，结合飞艇的外形尺寸和超压条件，对其进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；

(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力的区域，作为加筋强化区域；

(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；

(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。

进一步，步骤(1)中，所述平流层飞艇基本外形为长椭圆旋成体结构，建模过程中忽略对艇囊应力分析影响不大的尾翼和吊舱的建模。

进一步，步骤(2)中，超压范围是指平流层飞艇为保证其良好的气动特性和稳定的驻留高度，一般控制其内外气体压差为外界气压的3％左右，由于在内部气体超压超热双重影响下，其压强可达0-1500Pa，因此为保证平流层飞艇良好的气动特性和稳定的驻留高度，以此最大超压值1500Pa作为超压条件对其进行加载。