本發(fā)明屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以流體力學(xué)、氣體力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)為指導(dǎo)，以高性能新型材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的新型真空式浮力飛行裝置。

背景技術(shù)：

真空飛艇（Vacuum Airship）是一種以真空容器取代氫氣容器或氦氣容器來提供升力的假想中的飛艇。所謂“真空”，是指在給定的空間內(nèi)，壓強(qiáng)低于101325帕斯卡(即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)約101KPa)的氣體狀態(tài)。此構(gòu)想最早由意大利的Francesco Lana de Terzi在1670年提出，真空球是浮力升力終極的實(shí)現(xiàn)方法。因?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325 N/平方米。也就是說如果建造一艘真空飛艇，那么飛艇的浮力裝置（真空艙）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每平米將會(huì)受到10噸左右的大氣壓。近年來雖然材料科學(xué)不斷發(fā)展，但至今還未出現(xiàn)商業(yè)化的，能夠支撐10噸/平方米輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)的材料。即使利用石墨烯等尚未量產(chǎn)的新型材料勉強(qiáng)制造成功，所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)低于制造其所花費(fèi)的成本。因此，真空飛艇的愿景雖然十分美好，但大多數(shù)人的頭腦中對(duì)真空飛艇的第一印象都是“不可能”！

參考文獻(xiàn)：

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注：文獻(xiàn)[2]屬于本人已申請(qǐng)未公開發(fā)明專利，其主要內(nèi)容為利用多腔體氣囊結(jié)構(gòu)通過對(duì)不同腔體內(nèi)充入不同壓強(qiáng)的氣體獲得更加優(yōu)良的力學(xué)性能。充氣展開結(jié)構(gòu)內(nèi)的多氣囊結(jié)構(gòu)組成的智能化細(xì)胞式充氣剛體的力學(xué)特征比傳統(tǒng)單腔體氣囊結(jié)構(gòu)更為優(yōu)秀，有助于本發(fā)明實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和新型材料設(shè)計(jì)的真空式浮力飛行裝置。具體的說本發(fā)明是以流體力學(xué)、氣體力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)為指導(dǎo)，以高性能新型材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的新型真空式浮力飛行裝置。

最初，我在網(wǎng)絡(luò)上看到“真空飛艇”這個(gè)概念的時(shí)候也覺得這個(gè)想法很可笑。因?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325 N/平方米。也就是說如果建造一艘真空飛艇，那么飛艇的浮力裝置（真空艙）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每平米將會(huì)受到10噸左右的大氣壓。雖然高分子復(fù)合材料在抗拉強(qiáng)度方面已經(jīng)能夠滿足要求，但真空飛艇的真空艙與傳統(tǒng)氣囊式飛艇的氣囊存在本質(zhì)性的差異。傳統(tǒng)氣囊式飛艇一般采用柔性氣囊，其主要功能為抵抗氣囊內(nèi)部氣體壓力,并防止輕質(zhì)氣體逸散。而真空艙則需要一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)支撐出一個(gè)空間，將空間內(nèi)部氣體抽出后利用剛體結(jié)構(gòu)自身剛度抵抗大氣壓。根據(jù)浮力公式可以計(jì)算出，真空式浮力飛行裝置總質(zhì)量如果小于其排開氣體總質(zhì)量，則這個(gè)真空式浮力飛行裝置能夠獲得浮力并在大氣中上浮。

假設(shè)以碳纖維復(fù)合材料(CFRP)制造這個(gè)真空艙的剛體結(jié)構(gòu)，為滿足其在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不變形的要求勢(shì)必要采用厚重的多層外殼結(jié)構(gòu)。而多層外殼結(jié)構(gòu)不但造成自重增加，建造成本提升，可靠性降低等問題，而且其攜帶能力也會(huì)大幅降低。從本質(zhì)上講，除非材料科學(xué)出現(xiàn)跨越性發(fā)展，否則真空飛艇一無是處。

去年，我對(duì)真空飛艇做了一個(gè)可行性論證。研究發(fā)現(xiàn)如果想要以現(xiàn)有輕質(zhì)剛體材料支撐真空飛艇，除非地球大氣壓降低至原有水平的1/10。為此我設(shè)計(jì)了“長效真空艙衛(wèi)星” [參考文獻(xiàn)1]，并以此為基礎(chǔ)不斷完善真空飛艇相關(guān)數(shù)據(jù)和可靠性。

經(jīng)過長時(shí)間研究，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元分析以及新材料參數(shù)的計(jì)算，我找到了一種繞過輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)這一難點(diǎn)，以當(dāng)今現(xiàn)有材料制造真空飛艇所用真空艙的方法。

真空飛艇設(shè)計(jì)制造的最大難點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的輕質(zhì)真空艙制造。輕質(zhì)真空艙凈重必須低于真空艙創(chuàng)造真空環(huán)境產(chǎn)生的浮力，也就是說真空艙自重均值必須比空氣輕。同時(shí)，傳統(tǒng)輕質(zhì)氣體飛艇雖然有各種不足，但他依然屬于一種成熟產(chǎn)品。因此，真空飛艇的造價(jià)不能超出傳統(tǒng)輕質(zhì)氣體飛艇太多。

在滿足上述條件的前提下，本人設(shè)計(jì)了這種基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的真空式浮力飛行裝置。

如前文所述，真空式浮力飛行裝置最大的問題有兩個(gè)。一個(gè)是需要足夠強(qiáng)度的剛體結(jié)構(gòu)抵抗每平米10噸左右的大氣壓，另一個(gè)是真空艙本身自重不能超過真空艙所能產(chǎn)生的浮力。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣重約1.293KG/立方米。也就是說真空艙包括剛體結(jié)構(gòu)和攜帶物總重平均到真空艙排開空氣的體積時(shí)每立方米的平均重量必須比空氣輕，否則真空艙無法上浮。

上述條件導(dǎo)致，剛體結(jié)構(gòu)不可能是當(dāng)今已經(jīng)商業(yè)化的任何剛體材料。雖然碳纖維管材料較輕，但固化為支撐結(jié)構(gòu)以后自重依然遠(yuǎn)大于空氣。除了傳說中的石墨烯，我沒發(fā)現(xiàn)任何能夠直接應(yīng)用的剛體材料能夠滿足真空飛艇的剛體制造要求。當(dāng)然，石墨烯距離進(jìn)入商品化應(yīng)用階段還有很長的路要走，這里暫且不予考慮。

在閱讀文獻(xiàn)[參考文獻(xiàn)4]時(shí)，輕質(zhì)加壓管結(jié)構(gòu)為我?guī)砹遂`感。（輕質(zhì)加壓管也稱充氣管、薄膜管、太空管、充氣梁、充氣膜結(jié)構(gòu)、充氣展開結(jié)構(gòu)等）。

真空艙本質(zhì)上就是利用剛體結(jié)構(gòu)抵抗外部大氣壓。也就是說只要?jiǎng)傮w結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力與外界大氣壓力持平，就能維持真空艙自身空間不被大氣壓縮變形。如果采用輕質(zhì)加壓管結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)以大氣壓對(duì)抗大氣壓的力學(xué)效果。

當(dāng)今復(fù)合材料發(fā)展極為迅猛，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度屢創(chuàng)高峰。以PBO材料為例，其拉伸強(qiáng)度≥5.8GPa，模量280GPa，耐熱溫度達(dá)到600℃，而他的密度只有1.56g/立方厘米。

注：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=9.8MPa，1GPa=1000MPa。

制造真空裝置所需材料其實(shí)并不像大多數(shù)人想象中那么困難。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大致相當(dāng)于每平米10噸的壓力，聽起來是個(gè)很大的數(shù)字，但仔細(xì)計(jì)算后會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不是什么不可能解決的問題。以日常生活中常見的可樂瓶為例，其采用的材料為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。一個(gè)合格的可樂瓶能夠承受10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，也就是說我們每天都看到的可樂瓶材質(zhì)每平米能夠承受100噸的壓力。而當(dāng)今能夠工業(yè)化生產(chǎn)的各種復(fù)合材料耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)超聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，因此商業(yè)化制造真空飛艇的材料問題對(duì)如今的材料科技已經(jīng)不再是瓶頸。

采用高分子復(fù)合材料制備輕質(zhì)加壓管,其強(qiáng)度完全可以滿足真空艙剛體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求。在有限元模擬實(shí)驗(yàn)中，輕質(zhì)加壓管內(nèi)部只需要3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即可抵抗外界標(biāo)準(zhǔn)大氣壓所產(chǎn)生的壓力。如圖1所示，真空式浮力飛行裝置真空艙結(jié)構(gòu)示意圖。

如果采用單純的輕質(zhì)加壓管結(jié)構(gòu)用以抵抗外界大氣壓，輕質(zhì)加壓管充氣后的自重與外界大氣壓有可能持平。因此單純的輕質(zhì)加壓管結(jié)構(gòu)并不能為真空艙帶來太大浮力。同時(shí)，輕質(zhì)加壓管一旦發(fā)生泄漏也可能會(huì)對(duì)真空式浮力飛行裝置造成毀滅性后果。因此，我設(shè)計(jì)了[參考文獻(xiàn)2]智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)。

以智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單腔充氣管，能夠獲得更理想的力學(xué)性能。同時(shí)，如果采用多腔體結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提升真空式浮力飛行裝置的安全性。如圖1所示，利用智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)組成的真空艙支撐系統(tǒng)。（文中所述充氣結(jié)構(gòu)均可采用傳統(tǒng)充氣結(jié)構(gòu)或是智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)或是兩者結(jié)合，選用不同方式不影響本發(fā)明權(quán)屬）。

如文獻(xiàn)[5]所述充氣結(jié)構(gòu)，尤其是充氣管結(jié)構(gòu)的軸向受壓屈曲載荷可通過有限元設(shè)計(jì)計(jì)算出充氣管軸向耐壓強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，充氣管軸向耐壓強(qiáng)度大于徑向耐壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。同時(shí)，以充氣結(jié)構(gòu)為桿件制成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于環(huán)境大氣對(duì)蒙皮上產(chǎn)生的壓強(qiáng)。如果代入智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，還能夠進(jìn)一步提高空間網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而這種空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自重遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)剛體結(jié)構(gòu)。

綜合上述情況可以計(jì)算出，如果以充氣結(jié)構(gòu)（智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)）制造充氣式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桁架，并以這種充氣桁架支撐蒙皮結(jié)構(gòu)，即可獲得一個(gè)輕質(zhì)耐壓真空艙。以此種方法制造的輕質(zhì)耐壓真空艙擁有自重輕、能抵抗外部強(qiáng)壓等特征，是制造真空式浮力飛行裝置的理想材料。

真空式浮力飛行裝置主要由真空艙1、能源系統(tǒng)2、動(dòng)力系統(tǒng)3、負(fù)載系統(tǒng)4、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、通信系統(tǒng)7、自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8組成。其中真空艙主要由蒙皮9、桁架10、真空泵11組成。桁架10主要由桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成。

真空艙1是真空式浮力飛行裝置的核心，其主要特征為利用蒙皮9、桁架10、真空泵11組成一個(gè)輕質(zhì)剛體空間結(jié)構(gòu)。利用真空泵11將真空艙1內(nèi)的氣體抽出后使真空式浮力飛行裝置自重比空氣輕，繼而在大氣環(huán)境中獲得浮力。真空式浮力飛行裝置內(nèi)可以有一個(gè)或一個(gè)以上的真空艙1。

能源系統(tǒng)2是真空式浮力飛行裝置的能源系統(tǒng)總成。其中包括能源供應(yīng)系統(tǒng)、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)和能源消耗系統(tǒng)三部分。能源供應(yīng)系統(tǒng)包括太陽能電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃料電池組、核動(dòng)力發(fā)電機(jī)組等能夠提供能源供應(yīng)的裝置。能源儲(chǔ)存系統(tǒng)包括電池組、蓄電池組、飛輪儲(chǔ)能裝置、壓縮空氣儲(chǔ)能裝置等儲(chǔ)能裝置。能源消耗系統(tǒng)為真空式浮力飛行裝置所需的一切能源消耗系統(tǒng)總成。無論是飛行裝置自身各種設(shè)備的能源消耗還是負(fù)載的其他裝備的能源消耗均歸屬能源消耗系統(tǒng)。

動(dòng)力系統(tǒng)3是真空式浮力飛行裝置在大氣中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)總成。真空式浮力飛行裝置在飛行過程中需要進(jìn)行前進(jìn)、后退、上升、下降、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作均需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了獲得理想的驅(qū)動(dòng)力，可以采用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)或是噴射引擎驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)可以是固定的，也可以是由萬向軸驅(qū)動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)的。真空式浮力飛行裝置大致情況與傳統(tǒng)飛艇相當(dāng)。因此，動(dòng)力系統(tǒng)3可以直接引用傳統(tǒng)飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

負(fù)載系統(tǒng)4為包括吊艙在內(nèi)的負(fù)載系統(tǒng)總成。真空式浮力飛行裝置的本質(zhì)是利用真空艙1的浮力攜帶重物浮空，其主要負(fù)載方式為吊艙結(jié)構(gòu)。將吊艙與真空艙相連，在吊艙內(nèi)放置負(fù)載或直接將負(fù)載固定在真空艙內(nèi)外，或是將桁架結(jié)構(gòu)與真空艙1相連接，后將負(fù)載固定在桁架結(jié)構(gòu)上。真空式浮力飛行裝置大致情況與傳統(tǒng)飛艇相當(dāng)。因此，負(fù)載系統(tǒng)4可以參考傳統(tǒng)浮空式飛行器的負(fù)載系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5是真空式浮力飛行裝置上各種監(jiān)測(cè)裝置的統(tǒng)稱。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5可以由光學(xué)探測(cè)器、壓力探測(cè)器、溫度探測(cè)器、超聲波探測(cè)器、電磁波探測(cè)器、電子羅盤等多種探測(cè)設(shè)備組成，其主要功能為能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)真空式浮力飛行裝置各系統(tǒng)是否健康，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)6進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5可以同時(shí)監(jiān)測(cè)真空式浮力飛行裝置內(nèi)部和外部的所有信息。

控制系統(tǒng)6是一種智能化控制系統(tǒng)，為真空式浮力飛行裝置的控制中樞。控制系統(tǒng)6利用計(jì)算機(jī)或是人工方式對(duì)真空式浮力飛行裝置的真空艙1、能源系統(tǒng)2、動(dòng)力系統(tǒng)3、負(fù)載系統(tǒng)4、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5、通信系統(tǒng)7、自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8、真空泵11、或是真空式浮力飛行裝置內(nèi)的其他設(shè)備進(jìn)行控制。

通信系統(tǒng)7是真空式浮力飛行裝置的通信中樞。真空式浮力飛行裝置的通信分為內(nèi)部通信和外部通信。其中內(nèi)部通信主要是真空艙1、能源系統(tǒng)2、動(dòng)力系統(tǒng)3、負(fù)載系統(tǒng)4、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、通信系統(tǒng)7、自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8、真空泵11之間的通信以及真空式浮力飛行裝置所攜帶乘員的通信等。對(duì)外通信則根據(jù)真空式浮力飛行裝置具體工作情況而定。通信系統(tǒng)組成的通信網(wǎng)絡(luò)可以是有線通信，也可以是無線通信。

自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8是能夠利用自動(dòng)化裝置對(duì)真空式浮力飛行裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單修復(fù)的裝置。在本發(fā)明中，自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8的主要工作方式為利用機(jī)器人能夠在輸氣管道中自由移動(dòng)的特性，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)控制系統(tǒng)6利用通信系統(tǒng)7控制自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8前往異常情況所在地，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8遙控機(jī)器人處理異常情況可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成，也可以由人工進(jìn)行手工控制完成。自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)8最大優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)行過程中如果發(fā)現(xiàn)氣囊局部泄漏可以由機(jī)器人前往泄漏地點(diǎn)進(jìn)行蒙皮修補(bǔ)。

蒙皮9可以是單層薄膜結(jié)構(gòu)，也可以由若干個(gè)氣囊組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如[參考文獻(xiàn)2]所述，多氣囊結(jié)構(gòu)組成的充氣式剛體結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)特定的力學(xué)效應(yīng)。由若干個(gè)氣囊結(jié)構(gòu)組成的蒙皮9可以組成拱形結(jié)構(gòu)，利用拱形結(jié)構(gòu)將蒙皮外的大氣壓力分散轉(zhuǎn)向并相互抵消，從而使蒙皮9能夠抵抗外界大氣壓。為了獲得足夠的剛度，可在氣囊內(nèi)安置桁架，也可在氣囊外安置桁架。利用桁架補(bǔ)充氣囊本身應(yīng)力強(qiáng)度，能夠滿足真空艙1對(duì)抗外界大氣壓的要求（圖2、圖3、圖4、圖5）。

桁架10主要由桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成。在本發(fā)明中，桁架10的主要作用是為蒙皮9提供足夠強(qiáng)度的力學(xué)支撐。為了抵抗外界大氣壓，由蒙皮9與桁架10組成輕質(zhì)剛體外殼。桁架10可以安裝在蒙皮9內(nèi)部，也可以安裝在蒙皮9外部。利用桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成的立體結(jié)構(gòu)擁有理想的力學(xué)性能和相對(duì)較輕的質(zhì)量，是蒙皮9的理想補(bǔ)充。為了盡可能降低桁架10的重量，可以采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成立體球面桁架。例如采用“富勒球結(jié)構(gòu)”組成的桁架就是一種非常理想的桁架支撐結(jié)構(gòu)。[參考文獻(xiàn)6、7、8]在本發(fā)明中，桁架結(jié)構(gòu)可以采用球形結(jié)構(gòu)，也可以采用其他結(jié)構(gòu)。

真空泵11的主要功能是為真空艙1、蒙皮9、充氣桿件13或其他氣囊提供正壓或負(fù)壓供氣。在本發(fā)明中，可以利用真空泵11提供負(fù)壓，將真空艙1內(nèi)部氣壓降低，繼而使真空艙獲得浮力。也可以利用真空泵11為蒙皮9、充氣桿件13或其他氣囊提供正壓充氣，使其擁有一定的力學(xué)強(qiáng)度。在本發(fā)明中，真空泵11可以為一臺(tái)，也可以為多臺(tái)。真空泵11的工作模式可以為單獨(dú)工作也可以聯(lián)合工作。

桿件12由各種輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)組成。雖然充氣桿件13能夠滿足大多數(shù)情況下剛體結(jié)構(gòu)的力學(xué)要求，但不排除某些特殊情況下依然需要普通輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)。由這些輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)組成的桿件12是對(duì)整個(gè)真空式浮力飛行裝置的重要補(bǔ)充。

充氣桿件13是由充氣管結(jié)構(gòu)組成的輕質(zhì)剛體結(jié)構(gòu)。充氣桿件13可以由傳統(tǒng)充氣管組成，也可以由智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)[參考文獻(xiàn)2]組成。充氣桿件13的主要特征為輕質(zhì)耐壓剛體結(jié)構(gòu)，如文獻(xiàn)所述[參考文獻(xiàn)5、12、13、14]充氣管擁有較輕的自重，并在軸向力方面有優(yōu)良表現(xiàn)。利用智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)[參考文獻(xiàn)2]所述多氣囊結(jié)構(gòu)組成的充氣桿件13擁有比傳統(tǒng)單腔體氣囊更優(yōu)秀的力學(xué)性能，完全可以滿足充氣桿件13對(duì)于真空艙1抵抗外界大氣壓的需求。

拉繩14是真空式浮力飛行裝置的重要組成部分。如文獻(xiàn)[參考文獻(xiàn)10、11]所述，拉繩結(jié)構(gòu)能夠?qū)饽覒?yīng)力起到極大的補(bǔ)充，有助于應(yīng)力的轉(zhuǎn)向、分解或集中。在本發(fā)明中，拉繩14可以是繩狀、也可以是網(wǎng)狀。拉繩14可以與蒙皮、氣囊整合，也可以單獨(dú)存在。拉繩14可以安裝在真空艙內(nèi)部，也可以安裝在真空艙外部。

設(shè)計(jì)真空式浮力飛行裝置時(shí)需要注意，真空艙的體積不能過低。如圖6表格所示，球形結(jié)構(gòu)直徑低于6米時(shí)，體積與表面積的比例為面積>體積，而球形結(jié)構(gòu)直徑大于6米時(shí)面積<體積。球形真空艙直徑為6米時(shí)，表面積與體積的比例為1：1。在本發(fā)明中，網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)大致等同于球形結(jié)構(gòu)表面積。當(dāng)球形真空艙直徑大于6米時(shí)，球形結(jié)構(gòu)體積比值將會(huì)大于表面積。較大的體積能夠排開更多的空氣，為真空式浮力飛行裝置帶來更多的浮力。

隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，未來的材料可能會(huì)更加優(yōu)秀。利用高強(qiáng)度材料制造的真空艙可以選擇任意結(jié)構(gòu)而無需局限于球形。本發(fā)明的指導(dǎo)思想是利用氣壓抵抗氣壓，選用其他結(jié)構(gòu)真空艙不影響本發(fā)明權(quán)屬。

附圖說明：

附圖中對(duì)應(yīng)的數(shù)字是：蒙皮9、桁架10、氣囊15、標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境16、真空環(huán)境17。

圖1為真空式浮力飛行裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中蒙皮9、氣囊15、桁架10被整合為一體。

圖2為單排氣囊結(jié)構(gòu)及其充氣后結(jié)構(gòu)示意圖。圖中央部分為局部區(qū)域放大示意圖，箭頭代表氣壓應(yīng)力方向。當(dāng)氣囊內(nèi)氣壓大于外部環(huán)境時(shí)，氣囊會(huì)傾向于呈球形。當(dāng)兩個(gè)氣囊相互干涉時(shí)，接觸面的應(yīng)力會(huì)相互作用。如氣囊的其他區(qū)域囊壁伸展至極限，應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)氣囊壁的拉力。只要拉力強(qiáng)度不超過氣囊壁抗拉強(qiáng)度就不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步形變或撕裂。因此，氣囊壁抗拉強(qiáng)度>氣囊內(nèi)氣壓>相鄰氣囊接觸面形變應(yīng)力時(shí)，氣囊內(nèi)應(yīng)力會(huì)集中在相鄰氣囊接觸面。

圖3為多氣囊并列結(jié)構(gòu)及其充氣后內(nèi)力示意圖詳解（局部）。此種模式的氣囊蒙皮基于[文獻(xiàn)2] 智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用多層氣囊之間的相互作用力抵抗大氣壓。此種蒙皮結(jié)構(gòu)特征為內(nèi)側(cè)氣囊氣壓大于外側(cè)氣囊氣壓，氣囊在氣壓作用下呈拱形，有助于外界大氣壓力轉(zhuǎn)向并相互抵消。此種結(jié)構(gòu)適用于超大結(jié)構(gòu)真空艙，其擁有更強(qiáng)的剛度。

圖4為蒙皮9未完全充氣時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)蒙皮9內(nèi)壓與外界環(huán)境大氣壓大致相同，在此種狀態(tài)下適宜對(duì)蒙皮9進(jìn)行制造或檢修。

圖5為圖4所示蒙皮9完全進(jìn)入工作狀態(tài)后的情況。此時(shí)，外界大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（自然大氣環(huán)境）。組成蒙皮9的氣囊內(nèi)充入高壓氣體，氣囊與氣囊之間的接觸面的作用力之和大于氣囊外部大氣壓壓力。此時(shí)氣囊大致呈球面結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑼饨绱髿鈮寒a(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)嫁給相鄰區(qū)域。只要兩者合力不超過氣囊壁抗拉強(qiáng)度就能滿足真空艙結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗大氣壓環(huán)境的要求。注：附圖中多層氣囊結(jié)構(gòu)組成蒙皮9只是基于本發(fā)明原理設(shè)計(jì)的一種方案，根據(jù)真空式浮力飛行裝置的原理設(shè)計(jì)的不同樣式的飛行器可以采用不同的蒙皮以及充氣桁架的組合方式。改變氣囊排列方式或氣囊結(jié)構(gòu)不影響本發(fā)明權(quán)屬。

圖6為球形真空艙表面積與體積之間的比例表。

具體實(shí)施方式：

以圖5所示真空艙結(jié)構(gòu)為例：

已知標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1立方米大氣重約為1.29公斤

以一個(gè)直徑10米的球形真空艙為例：

直徑10米的球形真空艙周長約為31.4米

表面積約為314.16平方米

體積約為523.6立方米

首先計(jì)算蒙皮氣囊體積

設(shè)蒙皮氣囊厚度為10CM（高分子材料氣囊壁極薄極輕，不方便單獨(dú)計(jì)算重量。因此將重量附加在氣囊厚度中，即設(shè)氣囊厚度15CM）

1平米蒙皮體積約為1*1*0.15=0.15立方米

3倍大氣壓*1.29公斤*0.15立方米=0.5805公斤（充入3倍大氣壓后蒙皮每平米凈重）

直徑10米球形真空艙表面積314.16*0.5805公斤≈182公斤

即充入3倍大氣壓后蒙皮總凈重約為182公斤

已知直徑10米球形真空艙體積約為523.6立方米，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1立方米大氣重約為1.29公斤。可計(jì)算出浮力523.6*1.29≈675公斤

675-182=493公斤。

由此可計(jì)算出，直徑10米真空艙刨除蒙皮結(jié)構(gòu)自重后依然能夠擁有493公斤浮力。完全可以滿足大多數(shù)飛行器運(yùn)輸要求。

注1：因?yàn)檎婵张撟陨眢w積較小，蒙皮氣囊內(nèi)壓可以采用較低內(nèi)壓（結(jié)構(gòu)重量較低）。當(dāng)真空艙體積較大時(shí)（例如直徑100米）為了抵抗真空艙自重，需要對(duì)薄膜充氣管的內(nèi)壓進(jìn)行增強(qiáng)并增加內(nèi)部桁架。

注2：實(shí)驗(yàn)用小型真空艙直徑6米以下時(shí)球體表面積大于體積，所以直徑6米以下真空艙設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和算法與6米以上結(jié)構(gòu)不同，詳情參考圖6。

注3：薄膜充氣管結(jié)構(gòu)如果采用智能化細(xì)胞式充氣剛體結(jié)構(gòu)[文獻(xiàn)2]能夠獲得更強(qiáng)的力學(xué)性能，而自重卻不會(huì)大幅度上升。具體數(shù)值需要依據(jù)實(shí)際產(chǎn)品計(jì)算。

工業(yè)實(shí)用性：

浮空式飛行器的歷史非常悠久，但過去的浮空式飛行器大多采用輕質(zhì)氣體作為浮力裝置的驅(qū)動(dòng)核心。世界上主流浮力飛行器采用的輕質(zhì)氣體主要有氫氣和氦氣，但都存在巨大缺陷。氫氣雖然制取方便、成本低廉，但存在易燃易爆的危險(xiǎn)。當(dāng)今世界大多數(shù)國家已經(jīng)禁止氫氣用于充氣式浮空飛行裝置。氦氣是目前世界上主流的輕質(zhì)飛行器所用輕質(zhì)氣體，但氦氣屬于不可再生資源。如果少量應(yīng)用還有可能，一旦大規(guī)模發(fā)展氦氣飛行器就會(huì)出現(xiàn)一氣難求的窘狀。

本發(fā)明以當(dāng)今商業(yè)化材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出確實(shí)可行的真空式浮力飛行裝置。他的優(yōu)勢(shì)在于不需要特定的輕質(zhì)氣體，只要建造完成后在需要升空的地區(qū)將真空式浮力飛行裝置內(nèi)的空氣抽空即可上浮。

利用現(xiàn)有材料制造出的真空式浮力飛行裝置可以大規(guī)模應(yīng)用到運(yùn)輸領(lǐng)域。真空式浮力飛行裝置不受地形制約，并能大量運(yùn)輸物資，起降也無需機(jī)場(chǎng)之類硬件設(shè)施。