半開放式飛艇的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半開放式飛艇，包括固定剛性骨架（1）、浮升氣體囊（2）、收束蒙皮（3）、收束裝置（6）、空氣囊（7）；本發(fā)明通過收束蒙皮（3）的收束與放開調(diào)整有效浮力體積，避免了固定排量飛艇在上升和下降過程中的大量的空氣吞吐，降低了氣體管理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減少了整艇的質(zhì)量慣量變化；通過收束蒙皮（3）和固定剛性骨架（1），使飛艇具有較好的氣動外形，保證了飛艇結(jié)構(gòu)的整體剛度，實現(xiàn)了飛艇自身結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)且不依賴外部載體的飛行；收束蒙皮（3）和浮升氣體囊囊皮（22）的變形主要是折疊和舒展，理論上不存在拉伸變形，有利于降低對蒙皮和囊體材料的耐疲勞要求，從結(jié)構(gòu)上取代了現(xiàn)有技術(shù)中的變體飛艇氣囊伸縮運(yùn)動。
【專利說明】半開放式飛艇【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛艇【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種半開放式飛艇。
【背景技術(shù)】
[0002]飛艇是一種依靠空氣靜浮力升空的、可操縱機(jī)動飛行的浮空器，具有良好的操縱性和機(jī)動轉(zhuǎn)移能力，與其他飛行器相比，還具有能夠以相對較低的功耗實現(xiàn)慢速飛行、定點懸停的獨特優(yōu)勢。長航時飛艇為區(qū)域?qū)Φ赜^測、通信等提供了一種嶄新手段，應(yīng)用前景廣泛。
[0003]只有當(dāng)浮力與重力平衡，即凈浮力為零時，飛艇才能在空中懸停。由于從地面到高空的大氣密度變化顯著，為實現(xiàn)大跨高飛行，要求飛艇具有很強(qiáng)的凈浮力調(diào)節(jié)能力?，F(xiàn)有技術(shù)中的飛艇一般具有固定的外形和排量，其凈浮力的調(diào)節(jié)主要通過改變自重而實現(xiàn)，其主要實現(xiàn)手段是吸入或排出空氣。飛行高度跨度越大，空氣的吞吐量越大。以氦氣飛艇為例，若最大飛行聞度為4km,則艇內(nèi)空氣的體積變化將占整個艇體體積的40%左右；若最大飛行高度為20km，該變化量甚至將高達(dá)90%。如此巨大的空氣吞吐量，將對氣體管理系統(tǒng)造成巨大的壓力，同時帶來能源消耗、吸排熱效應(yīng)等一系列附加的不利影響。
[0004]另外，現(xiàn)有技術(shù)中的飛艇所攜帶的浮升氣體質(zhì)量一般是固定的，浮升氣體囊隨著高度的上升而增加。飛艇的總體積有最大設(shè)計飛行高度下的浮升氣體體積所決定。按此設(shè)計的飛艇，當(dāng)其運(yùn)行于低空時，艇內(nèi)的浮升氣囊體積較高空時顯著收縮，其減少的體積通過向艇內(nèi)送入空氣進(jìn)行填補(bǔ)，以保持整艇外形不變。這意味著飛艇不得不攜帶大量無實際用途的空氣，其可觀的質(zhì)量慣量既影響操縱性能，又耗費(fèi)推進(jìn)能源。
[0005]與此同時，隨著飛行高度的降低，空氣密度增大，在同樣的氣流速度、不變的受力面積條件下飛艇所受的縱向氣動阻力和橫向氣動力均較高空顯著增加。這對于有限的推進(jìn)和矢量控制系統(tǒng)配置無疑將造成巨 大的壓力，對飛艇的操縱穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。特別是在近地高度，突發(fā)擾流帶來的橫側(cè)向推力將導(dǎo)致飛艇與樹木、建筑等發(fā)生撞擊，是威脅飛艇安全的重要因素。
[0006]為減少升降過程中的空氣吞吐量和艇內(nèi)攜帶的空氣量，現(xiàn)有技術(shù)中提出了變體飛艇方案。中國專利CN101229848A公開了一種帶有充氣骨架的空中展開式飛艇，其不足之處是飛艇在低空高度缺乏必要的氣動外形，自主飛行能力受到限制，需要氣球等輔助運(yùn)載手段。中國專利CN101157384A公開了一種通過機(jī)械方式控制艇體伸長收縮，從而改變氣囊體積的變體飛艇，利用其排量的變化調(diào)節(jié)浮力，避免了副氣囊的使用，其不足之處是為了使囊體在變形過程中時刻繃緊，必然要求部分蒙皮區(qū)域承受反復(fù)的拉伸變形，外加還要承受結(jié)構(gòu)載荷，同時還要保持氣密性，對蒙皮材料提出了很高的要求。中國專利CN100577511C公開了一種利用剛性骨架的收展實現(xiàn)變形，其不足之處是大量使用剛性活動部件，結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性保障難度高，飛艇體積越大，其實現(xiàn)技術(shù)難度越大。此外，該飛艇在收緊狀態(tài)下，雖然減小了縱向面積，但是其橫側(cè)向迎風(fēng)面積仍然很大，不利于提高飛行操縱穩(wěn)定性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有固定承力骨架，而排量體積可主動調(diào)整，又無需蒙皮材料反復(fù)拉伸的新型飛艇。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種半開放式飛艇，包括固定剛性骨架、浮升氣體囊、收束蒙皮、收束裝置、空氣囊；其中，固定剛性骨架為籠狀格構(gòu)，其包絡(luò)構(gòu)成飛艇在設(shè)計運(yùn)行高度的艇體外形；兩個空氣囊分別位于氣艇頭部和尾部的固定剛性骨架內(nèi)；浮升氣體囊布置于氣艇中部固定剛性骨架內(nèi)，安裝于固定剛性骨架的頂部，浮升氣體囊頂面與固定剛性骨架的內(nèi)頂面固定貼合；收束蒙皮布置在固定剛性骨架內(nèi)部，并包絡(luò)浮升氣體囊的下半部分，收束蒙皮兩側(cè)固定在固定剛性骨架上并與浮升氣體囊的固定頂面邊緣相接，浮升氣體囊軸平面下半部分完全包絡(luò)在收束蒙皮中；收束裝置包括電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、收卷器同步軸、收卷器纏繞輪、收卷拉索、聯(lián)絡(luò)拉索、剛性支撐桿、撐桿扣鎖，兩根收卷器同步軸對稱平行安裝固定于固定剛性骨架中部外側(cè)，收卷器同步軸上安裝固定有若干組電機(jī)，電機(jī)和收卷器同步軸間通過傳動機(jī)構(gòu)傳動，收卷器同步軸上均勻設(shè)有若干收卷器同步軸，兩根收卷器同步軸間均勻設(shè)有若干組剛性支撐桿；固定剛性骨架上對應(yīng)于浮升氣體囊完全充分展開時，剛性支撐桿所在的位置上固定裝配一組撐桿扣鎖，相鄰的剛性支撐桿之間通過拉索連接套環(huán)與聯(lián)絡(luò)拉索連接；收卷器同步軸通過收卷拉索接最外側(cè)的剛性支撐桿，收卷拉索、聯(lián)絡(luò)拉索、剛性支撐桿一起組成承力索網(wǎng)，浮升氣體囊底部和收束蒙皮內(nèi)表與收束裝置的剛性支撐桿連接固定，承力索網(wǎng)呈帶狀均勻布置在收束蒙皮上，沿飛艇從前到后的方向延伸，通過收束裝置纏繞或釋放收卷拉索，帶動承力索網(wǎng)和收束蒙皮產(chǎn)生移動；浮升氣體囊不完全膨脹時，收束蒙皮與浮升氣體囊之間形成若干空氣室。
[0009]所述固定剛性骨架的頂面、浮升氣體囊以外，固定裝配有固定蒙皮。
[0010]所述飛艇頭部和尾部的兩個空氣囊下部設(shè)有空氣囊收束蒙皮，空氣囊收束蒙皮向氣艇中部一端接承力索網(wǎng)的剛性支撐桿末端。
[0011]所述浮升氣體囊與固定剛性骨架通過氣囊固定件固定。
[0012]所述浮升氣體囊底部和收束蒙皮內(nèi)表面通過蒙皮固定靴片與收束裝置的剛性支撐桿連接。
[0013]所述聯(lián)絡(luò)拉索通過設(shè)置在剛性支撐桿上的拉索連接套環(huán)與剛性支撐桿上連接。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:(1)本發(fā)明所提出的半開放式飛艇，通過收束蒙皮的收束與放開調(diào)整有效浮力體積，避免了現(xiàn)有技術(shù)中的固定排量飛艇在上升和下降過程中的大量的空氣吞吐，降低了氣體管理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減少了整艇的質(zhì)量慣量變化；尤其是當(dāng)飛艇處于較低高度時，減少了因攜帶大量空氣，質(zhì)量慣量巨大對操縱性能的影響，也有助于降低能耗；(2)由于飛艇底部骨架和收束蒙皮間的空間完全開放，減小了縱向和橫側(cè)向的有效迎風(fēng)面積，有助于降低飛艇飛行阻力和橫側(cè)向氣動力，提高飛艇操縱性能，特別是低空運(yùn)行階段的操縱性能和安全性；(3)本發(fā)明所提出的半開放式飛艇，通過收束蒙皮和固定剛性骨架，使飛艇從地面到高空的全部運(yùn)行區(qū)間都具有較好的氣動外形，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的空中展開式變體飛艇，在低空高度缺乏必要的氣動外形，自主飛行能力受到限制，需要氣球等輔助運(yùn)載手段等問題，實現(xiàn)了飛艇自身結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)且不依賴外部載體的飛行；
(4)本發(fā)明提出的飛艇，收束蒙皮和浮升氣體囊囊膜的變形主要是折疊和舒展，理論上不存在拉伸變形，減少了浮升氣體囊的反復(fù)拉伸變形，有利于降低對蒙皮和囊體材料的耐疲勞要求，從結(jié)構(gòu)上取代了現(xiàn)有技術(shù)中的變體飛艇氣囊伸縮運(yùn)動；同時，采用固定剛性骨架，保證了飛艇結(jié)構(gòu)的整體剛度，不需要剛性活動部件進(jìn)行機(jī)械控制整艇的伸縮運(yùn)動，減少了剛性活動部件。從飛艇總體方面，減少了浮升氣體囊的疲勞損傷，提高了氣密性；減少了結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為一種半開放式飛艇在氣囊展開狀態(tài)下的側(cè)視圖。
[0016]圖2為一種半開放式飛艇在氣囊收束狀態(tài)下的側(cè)視圖。
[0017]圖3為一種半開放式飛艇的仰視圖。
[0018]圖4為一種半開放式飛艇在氣囊展開狀態(tài)下A-A面、B-B面的剖面圖。
[0019]圖5為一種半開放式飛艇在氣囊展開狀態(tài)下C-C面的剖面圖。
[0020]圖6為夜間超冷狀態(tài)下一種半開放式飛艇在氣囊展開狀態(tài)下C-C面的剖面圖。
[0021]圖7為一種半開放式飛艇在氣囊收束狀態(tài)下D-D面剖面圖。
[0022]圖8為剛性支撐桿與聯(lián)絡(luò)拉索連接部位局部示意圖。
[0023]圖中，1-固定剛性骨架，2-浮升氣體囊，3-收束蒙皮，4-固定蒙皮，5-空氣室，6-收束裝置，7-空氣囊，8-半開放空間，21-氣囊固定件，22-浮升氣體囊囊皮，31-蒙皮固定靴片，61-電機(jī)，62-傳動機(jī)構(gòu)，63-收卷器同步軸，64-收卷器纏繞輪，65-收卷拉索，66-聯(lián)絡(luò)拉索，67-剛性支撐桿，68-撐桿扣鎖，69-拉索連接套環(huán)，71-空氣囊收束蒙皮。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0025]一種半開放式飛艇，其結(jié)構(gòu)如圖1?7所示，包括固定剛性骨架1、浮升氣體囊2、收束蒙皮3、收束裝置6、空氣囊7 ;其中，固定剛性骨架I為籠狀格構(gòu)，其包絡(luò)構(gòu)成飛艇在設(shè)計運(yùn)行高度的艇體外形；兩個空氣囊7分別位于氣艇頭部和尾部的固定剛性骨架I內(nèi)，兩個空氣囊7下部設(shè)有空氣囊收束蒙皮71，空氣囊收束蒙皮71向氣艇中部一端接承力索網(wǎng)的剛性支撐桿67末端，通過與外界的空氣質(zhì)量交換，平衡浮升氣體囊的體積變化所產(chǎn)生的浮力變化，調(diào)節(jié)飛艇靜重，使飛艇高度保持穩(wěn)定；浮升氣體囊2布置于氣艇中部固定剛性骨架I內(nèi)，通過繩索在頂部與固定剛性骨架I節(jié)點固定，浮升氣體囊2頂面與固定剛性骨架I的內(nèi)頂面固定貼合，通過氣囊固定件21固定，使浮升氣體囊2的頂面形狀被固定；固定剛性骨架I的頂面、浮升氣體囊2以外，固定裝配有固定蒙皮4，起到整流作用；收束蒙皮3布置在固定剛性骨架I內(nèi)部，并包絡(luò)浮升氣體囊2的下半部分，收束蒙皮3兩側(cè)固定在固定剛性骨架I上并與浮升氣體囊2的固定頂面邊緣相接，浮升氣體囊2軸平面下半部分完全包絡(luò)在收束蒙皮3中，浮升氣體囊2可以在固定剛性骨架I的內(nèi)部活動；收束裝置6包括電機(jī)61、傳動機(jī)構(gòu)62、收卷器同步軸63、收卷器纏繞輪64、收卷拉索65、聯(lián)絡(luò)拉索66、剛性支撐桿67、撐桿扣鎖68，兩根收卷器同步軸63對稱平行安裝固定于固定剛性骨架I中部外側(cè)，收卷器同步軸63上安裝固定有若干組電機(jī)61，電機(jī)61和收卷器同步軸63間通過傳動機(jī)構(gòu)62傳動，收卷器同步軸63上均勻設(shè)有若干收卷器同步軸64，兩根收卷器同步軸63間均勻設(shè)有若干組剛性支撐桿67 ;固定剛性骨架I上對應(yīng)于浮升氣體囊2完全充分展開時，剛性支撐桿67所在的位置上固定裝配一組撐桿扣鎖68，相鄰的剛性支撐桿67之間通過拉索連接套環(huán)69與聯(lián)絡(luò)拉索66連接；收卷器同步軸64通過收卷拉索65接最外側(cè)的剛性支撐桿67，收卷拉索65、聯(lián)絡(luò)拉索66、剛性支撐桿67 —起組成承力索網(wǎng)，浮升氣體囊2底部和收束蒙皮3內(nèi)表面通過蒙皮固定靴片31與收束裝置6的剛性支撐桿67連接，承力索網(wǎng)呈帶狀均勻布置在收束蒙皮3上，沿飛艇從前到后的方向延伸，通過收束裝置6纏繞或釋放收卷拉索65，帶動承力索網(wǎng)和收束蒙皮3產(chǎn)生移動；聯(lián)絡(luò)拉索66通過設(shè)置在剛性支撐桿67上的拉索連接套環(huán)69與剛性支撐桿67上連接，根據(jù)浮升氣體囊2收縮或膨脹，同步調(diào)整承力索網(wǎng)收縮或膨脹；浮升氣體囊2不完全膨脹時，收束蒙皮3與浮升氣體囊2之間形成若干空氣室5。
[0026]當(dāng)飛艇在設(shè)計高度運(yùn)行時，如圖1、圖4、圖5所示，此時浮升氣體囊2充分展開，占據(jù)整個固定剛性骨架I的包絡(luò)空間，此時收束蒙皮3被浮升氣體囊2撐起，與固定剛性骨架I下部內(nèi)面貼緊，同時剛性支撐桿67與固定裝配在固定剛性骨架I上的一組撐桿扣鎖68交會對接并被撐桿扣鎖68鎖緊固定，此時承力索網(wǎng)受到固定剛性骨架I的約束，而收束蒙皮3將受到承力索網(wǎng)的約束，形成預(yù)定的氣動外形。
[0027]浮升氣體囊I的體積隨著高度和溫度變化產(chǎn)生收縮或膨脹時，通過收束裝置6主動調(diào)節(jié)收束蒙皮3在固定剛性骨架I內(nèi)部的空間位置，而收束蒙皮與骨架之間的空間對外充分敞開，內(nèi)外空氣可自由流通；在浮升氣體囊不完全膨脹時，外部空氣可進(jìn)入收束蒙皮3與浮升氣體囊2之間，形成若干空氣室5 ;浮升氣體囊I的氦氣填充量根據(jù)飛艇內(nèi)氣體平均溫度優(yōu)選值To確定，此時浮升氣體囊I體積正好與固定剛性骨架I內(nèi)包絡(luò)空間貼合，Tc<To<Th, Th為飛艇內(nèi)氣體平均溫度的最高值，Tc為飛艇內(nèi)氣體平均溫度的最低值。
[0028]當(dāng)飛艇在低高度運(yùn)行時，如圖2、圖7所示，此時浮升氣體囊2內(nèi)的浮升氣體體積隨著大氣壓的提高而收縮，聚集于浮升氣體囊2的頂部，浮升氣體囊2不能充分展開，進(jìn)入張力不足狀態(tài)。由于浮升氣體囊2的頂面形狀被固定于固定剛性骨架I的內(nèi)頂面上，因此浮升氣體囊2的底面在壓力作用下上抬，并發(fā)生松弛折皺。此時利用電機(jī)61卷緊收卷拉索65，通過承力索網(wǎng)帶動收束蒙皮3上抬，使浮升氣體囊2的底面得到收束。收束蒙皮3的中部在收卷拉索65、聯(lián)絡(luò)拉索66的作用下張緊，而收束蒙皮3的兩側(cè)也被收束，從而使收束蒙皮3形成較為光順的表面，降低摩擦阻力。此時固定剛性骨架I底部和收束蒙皮3之間形成半開放空間8，在半開放空間8的空氣無需隨艇攜帶。雖然裸露的固定剛性骨架I的下部會產(chǎn)生一定的干擾氣動力，但由于固定剛性骨架I裸露面積與飛艇參考面積相比為小量，且飛艇為低速飛行器，因此總體而言飛艇的阻力將得到降低，操縱性能得到提高。
[0029]當(dāng)超熱飛艇內(nèi)部氣體壓力增高或超冷飛艇內(nèi)部氣體壓力減低時，下蒙皮形成小曲率半徑的環(huán)向彎曲，該環(huán)向曲率半徑遠(yuǎn)小于飛艇的半徑，有助于降低蒙皮承受的張力，提高結(jié)構(gòu)安全性。
[0030]上面對本發(fā)明的實施例對作了詳細(xì)說明，上述實施方式僅為本發(fā)明的最優(yōu)實施例，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種半開放式飛艇，其特征在于包括固定剛性骨架(I)、浮升氣體囊(2)、收束蒙皮(3)、收束裝置(6)、空氣囊(7);其中，固定剛性骨架(I)為籠狀格構(gòu)，其包絡(luò)構(gòu)成飛艇在設(shè)計運(yùn)行高度的艇體外形；兩個空氣囊(7)分別位于氣艇頭部和尾部的固定剛性骨架(I)內(nèi)；浮升氣體囊(2)布置于氣艇中部固定剛性骨架(I)內(nèi)，安裝于固定剛性骨架(I)的頂部，浮升氣體囊(2)頂面與固定剛性骨架(I)的內(nèi)頂面固定貼合；收束蒙皮(3)布置在固定剛性骨架(I)內(nèi)部，并包絡(luò)浮升氣體囊(2)的下半部分，收束蒙皮(3)兩側(cè)固定在固定剛性骨架(I)上并與浮升氣體囊(2 )的固定頂面邊緣相接，浮升氣體囊(2 )軸平面下半部分完全包絡(luò)在收束蒙皮(3 )中；收束裝置(6 )包括電機(jī)(61)、傳動機(jī)構(gòu)(62 )、收卷器同步軸(63 )、收卷器纏繞輪(64)、收卷拉索(65)、聯(lián)絡(luò)拉索(66)、剛性支撐桿(67)、撐桿扣鎖(68)，兩根收卷器同步軸(63)對稱平行安裝固定于固定剛性骨架(I)中部外側(cè)，收卷器同步軸(63)上安裝固定有若干組電機(jī)(61)，電機(jī)(61)和收卷器同步軸(63)間通過傳動機(jī)構(gòu)(62)傳動，收卷器同步軸(63)上均勻設(shè)有若干收卷器同步軸(64)，兩根收卷器同步軸(63)間均勻設(shè)有若干組剛性支撐桿(67);固定剛性骨架(I)上對應(yīng)于浮升氣體囊(2)完全充分展開時，剛性支撐桿(67)所在的位置上固定裝配一組撐桿扣鎖(68)，相鄰的剛性支撐桿(67)之間通過拉索連接套環(huán)(69 )與聯(lián)絡(luò)拉索(66 )連接；收卷器同步軸(64 )通過收卷拉索(65 )接最外側(cè)的剛性支撐桿(67 )，收卷拉索(65 )、聯(lián)絡(luò)拉索(66 )、剛性支撐桿(67 ) 一起組成承力索網(wǎng)，浮升氣體囊(2)底部和收束蒙皮(3)內(nèi)表與收束裝置(6)的剛性支撐桿(67)連接固定，承力索網(wǎng)呈帶狀均勻布置在收束蒙皮(3)上，沿飛艇從前到后的方向延伸，通過收束裝置(6)纏繞或釋放收卷拉索(65)，帶動承力索網(wǎng)和收束蒙皮(3)產(chǎn)生移動；浮升氣體囊(2)不完全膨脹時，收束蒙皮(3)與浮升氣體囊(2)之間形成若干空氣室(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種半開放式飛艇，其特征在于固定剛性骨架(I)的頂面、浮升氣體囊(2)以外，固定裝配有固定蒙皮(4)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種半開放式飛艇，其特征在于飛艇頭部和尾部的兩個空氣囊(7)下部設(shè)有空氣囊收束蒙皮(71)，空氣囊收束蒙皮(71)向氣艇中部一端接承力索網(wǎng)的剛性支撐桿(67 )末端。
4.如權(quán)利要求1所述的一種半開放式飛艇，其特征在于浮升氣體囊(2)與固定剛性骨架(I)通過氣囊固定件(21)固定。
5.如權(quán)利要求1所述的一種半開放式飛艇，其特征在于浮升氣體囊(2)底部和收束蒙皮(3)內(nèi)表面通過蒙皮固定靴片(31)與收束裝置(6)的剛性支撐桿(67)連接。
6.如權(quán)利要求1所述的一種半開放式飛艇，其特征在于聯(lián)絡(luò)拉索(66)通過設(shè)置在剛性支撐桿(67)上的拉索連接套環(huán)(69)與剛性支撐桿(67)上連接。
【文檔編號】B64B1/58GK103569345SQ201210282298
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月9日
【發(fā)明者】范春石, 宋琦, 李勇, 馬蓉, 王文雋, 王超, 姚偉, 張翔翼, 宋堅 申請人:中國空間技術(shù)研究院