CN103569345A - 半开放式飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半开放式飞艇，包括固定刚性骨架（1）、浮升气体囊（2）、收束蒙皮（3）、收束装置（6）、空气囊（7）；本发明通过收束蒙皮（3）的收束与放开调整有效浮力体积，避免了固定排量飞艇在上升和下降过程中的大量的空气吞吐，降低了气体管理***的负担，减少了整艇的质量惯量变化；通过收束蒙皮（3）和固定刚性骨架（1），使飞艇具有较好的气动外形，保证了飞艇结构的整体刚度，实现了飞艇自身结构调节且不依赖外部载体的飞行；收束蒙皮（3）和浮升气体囊囊皮（22）的变形主要是折叠和舒展，理论上不存在拉伸变形，有利于降低对蒙皮和囊体材料的耐疲劳要求，从结构上取代了现有技术中的变体飞艇气囊伸缩运动。

Description

半开放式飞艇

技术领域

本发明属于飞艇技术领域，具体涉及一种半开放式飞艇。

背景技术

飞艇是一种依靠空气静浮力升空的、可操纵机动飞行的浮空器，具有良好的操纵性和机动转移能力，与其他飞行器相比，还具有能够以相对较低的功耗实现慢速飞行、定点悬停的独特优势。长航时飞艇为区域对地观测、通信等提供了一种崭新手段，应用前景广泛。

只有当浮力与重力平衡，即净浮力为零时，飞艇才能在空中悬停。由于从地面到高空的大气密度变化显著，为实现大跨高飞行，要求飞艇具有很强的净浮力调节能力。现有技术中的飞艇一般具有固定的外形和排量，其净浮力的调节主要通过改变自重而实现，其主要实现手段是吸入或排出空气。飞行高度跨度越大，空气的吞吐量越大。以氦气飞艇为例，若最大飞行高度为4km，则艇内空气的体积变化将占整个艇体体积的40%左右；若最大飞行高度为20km，该变化量甚至将高达90%。如此巨大的空气吞吐量，将对气体管理***造成巨大的压力，同时带来能源消耗、吸排热效应等一系列附加的不利影响。

另外，现有技术中的飞艇所携带的浮升气体质量一般是固定的，浮升气体囊随着高度的上升而增加。飞艇的总体积有最大设计飞行高度下的浮升气体体积所决定。按此设计的飞艇，当其运行于低空时，艇内的浮升气囊体积较高空时显著收缩，其减少的体积通过向艇内送入空气进行填补，以保持整艇外形不变。这意味着飞艇不得不携带大量无实际用途的空气，其可观的质量惯量既影响操纵性能，又耗费推进能源。

与此同时，随着飞行高度的降低，空气密度增大，在同样的气流速度、不变的受力面积条件下飞艇所受的纵向气动阻力和横向气动力均较高空显著增加。这对于有限的推进和矢量控制***配置无疑将造成巨大的压力，对飞艇的操纵稳定性带来挑战。特别是在近地高度，突发扰流带来的横侧向推力将导致飞艇与树木、建筑等发生撞击，是威胁飞艇安全的重要因素。

为减少升降过程中的空气吞吐量和艇内携带的空气量，现有技术中提出了变体飞艇方案。中国专利CN101229848A公开了一种带有充气骨架的空中展开式飞艇，其不足之处是飞艇在低空高度缺乏必要的气动外形，自主飞行能力受到限制，需要气球等辅助运载手段。中国专利CN101157384A公开了一种通过机械方式控制艇体伸长收缩，从而改变气囊体积的变体飞艇，利用其排量的变化调节浮力，避免了副气囊的使用，其不足之处是为了使囊体在变形过程中时刻绷紧，必然要求部分蒙皮区域承受反复的拉伸变形，外加还要承受结构载荷，同时还要保持气密性，对蒙皮材料提出了很高的要求。中国专利CN100577511C公开了一种利用刚性骨架的收展实现变形，其不足之处是大量使用刚性活动部件，结构机构复杂，可靠性保障难度高，飞艇体积越大，其实现技术难度越大。此外，该飞艇在收紧状态下，虽然减小了纵向面积，但是其横侧向迎风面积仍然很大，不利于提高飞行操纵稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有固定承力骨架，而排量体积可主动调整，又无需蒙皮材料反复拉伸的新型飞艇。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种半开放式飞艇，包括固定刚性骨架、浮升气体囊、收束蒙皮、收束装置、空气囊；其中，固定刚性骨架为笼状格构，其包络构成飞艇在设计运行高度的艇体外形；两个空气囊分别位于气艇头部和尾部的固定刚性骨架内；浮升气体囊布置于气艇中部固定刚性骨架内，安装于固定刚性骨架的顶部，浮升气体囊顶面与固定刚性骨架的内顶面固定贴合；收束蒙皮布置在固定刚性骨架内部，并包络浮升气体囊的下半部分，收束蒙皮两侧固定在固定刚性骨架上并与浮升气体囊的固定顶面边缘相接，浮升气体囊轴平面下半部分完全包络在收束蒙皮中；收束装置包括电机、传动机构、收卷器同步轴、收卷器缠绕轮、收卷拉索、联络拉索、刚性支撑杆、撑杆扣锁，两根收卷器同步轴对称平行安装固定于固定刚性骨架中部外侧，收卷器同步轴上安装固定有若干组电机，电机和收卷器同步轴间通过传动机构传动，收卷器同步轴上均匀设有若干收卷器同步轴，两根收卷器同步轴间均匀设有若干组刚性支撑杆；固定刚性骨架上对应于浮升气体囊完全充分展开时，刚性支撑杆所在的位置上固定装配一组撑杆扣锁，相邻的刚性支撑杆之间通过拉索连接套环与联络拉索连接；收卷器同步轴通过收卷拉索接最外侧的刚性支撑杆，收卷拉索、联络拉索、刚性支撑杆一起组成承力索网，浮升气体囊底部和收束蒙皮内表与收束装置的刚性支撑杆连接固定，承力索网呈带状均匀布置在收束蒙皮上，沿飞艇从前到后的方向延伸，通过收束装置缠绕或释放收卷拉索，带动承力索网和收束蒙皮产生移动；浮升气体囊不完全膨胀时，收束蒙皮与浮升气体囊之间形成若干空气室。

所述固定刚性骨架的顶面、浮升气体囊以外，固定装配有固定蒙皮。

所述飞艇头部和尾部的两个空气囊下部设有空气囊收束蒙皮，空气囊收束蒙皮向气艇中部一端接承力索网的刚性支撑杆末端。

所述浮升气体囊与固定刚性骨架通过气囊固定件固定。

所述浮升气体囊底部和收束蒙皮内表面通过蒙皮固定靴片与收束装置的刚性支撑杆连接。

所述联络拉索通过设置在刚性支撑杆上的拉索连接套环与刚性支撑杆上连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：（1）本发明所提出的半开放式飞艇，通过收束蒙皮的收束与放开调整有效浮力体积，避免了现有技术中的固定排量飞艇在上升和下降过程中的大量的空气吞吐，降低了气体管理***的负担，减少了整艇的质量惯量变化；尤其是当飞艇处于较低高度时，减少了因携带大量空气，质量惯量巨大对操纵性能的影响，也有助于降低能耗；（2）由于飞艇底部骨架和收束蒙皮间的空间完全开放，减小了纵向和横侧向的有效迎风面积，有助于降低飞艇飞行阻力和横侧向气动力，提高飞艇操纵性能，特别是低空运行阶段的操纵性能和安全性；（3）本发明所提出的半开放式飞艇，通过收束蒙皮和固定刚性骨架，使飞艇从地面到高空的全部运行区间都具有较好的气动外形，解决了现有技术中的空中展开式变体飞艇，在低空高度缺乏必要的气动外形，自主飞行能力受到限制，需要气球等辅助运载手段等问题，实现了飞艇自身结构调节且不依赖外部载体的飞行；（4）本发明提出的飞艇，收束蒙皮和浮升气体囊囊膜的变形主要是折叠和舒展，理论上不存在拉伸变形，减少了浮升气体囊的反复拉伸变形，有利于降低对蒙皮和囊体材料的耐疲劳要求，从结构上取代了现有技术中的变体飞艇气囊伸缩运动；同时，采用固定刚性骨架，保证了飞艇结构的整体刚度，不需要刚性活动部件进行机械控制整艇的伸缩运动，减少了刚性活动部件。从飞艇总体方面，减少了浮升气体囊的疲劳损伤，提高了气密性；减少了结构机构复杂性，提高了***可靠性。

附图说明

图1为一种半开放式飞艇在气囊展开状态下的侧视图。

图2为一种半开放式飞艇在气囊收束状态下的侧视图。

图3为一种半开放式飞艇的仰视图。

图4为一种半开放式飞艇在气囊展开状态下A-A面、B-B面的剖面图。

图5为一种半开放式飞艇在气囊展开状态下C-C面的剖面图。

图6为夜间超冷状态下一种半开放式飞艇在气囊展开状态下C-C面的剖面图。

图7为一种半开放式飞艇在气囊收束状态下D-D面剖面图。

图8为刚性支撑杆与联络拉索连接部位局部示意图。

图中，1-固定刚性骨架，2-浮升气体囊，3-收束蒙皮，4-固定蒙皮，5-空气室，6-收束装置，7-空气囊，8-半开放空间，21-气囊固定件，22-浮升气体囊囊皮，31-蒙皮固定靴片，61-电机，62-传动机构，63-收卷器同步轴，64-收卷器缠绕轮，65-收卷拉索，66-联络拉索，67-刚性支撑杆，68-撑杆扣锁，69-拉索连接套环，71-空气囊收束蒙皮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

一种半开放式飞艇，其结构如图1～7所示，包括固定刚性骨架1、浮升气体囊2、收束蒙皮3、收束装置6、空气囊7；其中，固定刚性骨架1为笼状格构，其包络构成飞艇在设计运行高度的艇体外形；两个空气囊7分别位于气艇头部和尾部的固定刚性骨架1内，两个空气囊7下部设有空气囊收束蒙皮71，空气囊收束蒙皮71向气艇中部一端接承力索网的刚性支撑杆67末端，通过与外界的空气质量交换，平衡浮升气体囊的体积变化所产生的浮力变化，调节飞艇静重，使飞艇高度保持稳定；浮升气体囊2布置于气艇中部固定刚性骨架1内，通过绳索在顶部与固定刚性骨架1节点固定，浮升气体囊2顶面与固定刚性骨架1的内顶面固定贴合，通过气囊固定件21固定，使浮升气体囊2的顶面形状被固定；固定刚性骨架1的顶面、浮升气体囊2以外，固定装配有固定蒙皮4，起到整流作用；收束蒙皮3布置在固定刚性骨架1内部，并包络浮升气体囊2的下半部分，收束蒙皮3两侧固定在固定刚性骨架1上并与浮升气体囊2的固定顶面边缘相接，浮升气体囊2轴平面下半部分完全包络在收束蒙皮3中，浮升气体囊2可以在固定刚性骨架1的内部活动；收束装置6包括电机61、传动机构62、收卷器同步轴63、收卷器缠绕轮64、收卷拉索65、联络拉索66、刚性支撑杆67、撑杆扣锁68，两根收卷器同步轴63对称平行安装固定于固定刚性骨架1中部外侧，收卷器同步轴63上安装固定有若干组电机61，电机61和收卷器同步轴63间通过传动机构62传动，收卷器同步轴63上均匀设有若干收卷器同步轴64，两根收卷器同步轴63间均匀设有若干组刚性支撑杆67；固定刚性骨架1上对应于浮升气体囊2完全充分展开时，刚性支撑杆67所在的位置上固定装配一组撑杆扣锁68，相邻的刚性支撑杆67之间通过拉索连接套环69与联络拉索66连接；收卷器同步轴64通过收卷拉索65接最外侧的刚性支撑杆67，收卷拉索65、联络拉索66、刚性支撑杆67一起组成承力索网，浮升气体囊2底部和收束蒙皮3内表面通过蒙皮固定靴片31与收束装置6的刚性支撑杆67连接，承力索网呈带状均匀布置在收束蒙皮3上，沿飞艇从前到后的方向延伸，通过收束装置6缠绕或释放收卷拉索65，带动承力索网和收束蒙皮3产生移动；联络拉索66通过设置在刚性支撑杆67上的拉索连接套环69与刚性支撑杆67上连接，根据浮升气体囊2收缩或膨胀，同步调整承力索网收缩或膨胀；浮升气体囊2不完全膨胀时，收束蒙皮3与浮升气体囊2之间形成若干空气室5。

当飞艇在设计高度运行时，如图1、图4、图5所示，此时浮升气体囊2充分展开，占据整个固定刚性骨架1的包络空间，此时收束蒙皮3被浮升气体囊2撑起，与固定刚性骨架1下部内面贴紧，同时刚性支撑杆67与固定装配在固定刚性骨架1上的一组撑杆扣锁68交会对接并被撑杆扣锁68锁紧固定，此时承力索网受到固定刚性骨架1的约束，而收束蒙皮3将受到承力索网的约束，形成预定的气动外形。

浮升气体囊1的体积随着高度和温度变化产生收缩或膨胀时，通过收束装置6主动调节收束蒙皮3在固定刚性骨架1内部的空间位置，而收束蒙皮与骨架之间的空间对外充分敞开，内外空气可自由流通；在浮升气体囊不完全膨胀时，外部空气可进入收束蒙皮3与浮升气体囊2之间，形成若干空气室5；浮升气体囊1的氦气填充量根据飞艇内气体平均温度优选值To确定，此时浮升气体囊1体积正好与固定刚性骨架1内包络空间贴合，Tc<To<Th，Th为飞艇内气体平均温度的最高值，Tc为飞艇内气体平均温度的最低值。

当飞艇在低高度运行时，如图2、图7所示，此时浮升气体囊2内的浮升气体体积随着大气压的提高而收缩，聚集于浮升气体囊2的顶部，浮升气体囊2不能充分展开，进入张力不足状态。由于浮升气体囊2的顶面形状被固定于固定刚性骨架1的内顶面上，因此浮升气体囊2的底面在压力作用下上抬，并发生松弛折皱。此时利用电机61卷紧收卷拉索65，通过承力索网带动收束蒙皮3上抬，使浮升气体囊2的底面得到收束。收束蒙皮3的中部在收卷拉索65、联络拉索66的作用下张紧，而收束蒙皮3的两侧也被收束，从而使收束蒙皮3形成较为光顺的表面，降低摩擦阻力。此时固定刚性骨架1底部和收束蒙皮3之间形成半开放空间8，在半开放空间8的空气无需随艇携带。虽然裸露的固定刚性骨架1的下部会产生一定的干扰气动力，但由于固定刚性骨架1裸露面积与飞艇参考面积相比为小量，且飞艇为低速飞行器，因此总体而言飞艇的阻力将得到降低，操纵性能得到提高。

当超热飞艇内部气体压力增高或超冷飞艇内部气体压力减低时，下蒙皮形成小曲率半径的环向弯曲，该环向曲率半径远小于飞艇的半径，有助于降低蒙皮承受的张力，提高结构安全性。

上面对本发明的实施例对作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种半开放式飞艇，其特征在于包括固定刚性骨架（1）、浮升气体囊（2）、收束蒙皮（3）、收束装置（6）、空气囊（7）；其中，固定刚性骨架（1）为笼状格构，其包络构成飞艇在设计运行高度的艇体外形；两个空气囊（7）分别位于气艇头部和尾部的固定刚性骨架（1）内；浮升气体囊（2）布置于气艇中部固定刚性骨架（1）内，安装于固定刚性骨架（1）的顶部，浮升气体囊（2）顶面与固定刚性骨架（1）的内顶面固定贴合；收束蒙皮（3）布置在固定刚性骨架（1）内部，并包络浮升气体囊（2）的下半部分，收束蒙皮（3）两侧固定在固定刚性骨架（1）上并与浮升气体囊（2）的固定顶面边缘相接，浮升气体囊（2）轴平面下半部分完全包络在收束蒙皮（3）中；收束装置（6）包括电机（61）、传动机构（62）、收卷器同步轴（63）、收卷器缠绕轮（64）、收卷拉索（65）、联络拉索（66）、刚性支撑杆（67）、撑杆扣锁（68），两根收卷器同步轴（63）对称平行安装固定于固定刚性骨架（1）中部外侧，收卷器同步轴（63）上安装固定有若干组电机（61），电机（61）和收卷器同步轴（63）间通过传动机构（62）传动，收卷器同步轴（63）上均匀设有若干收卷器同步轴（64），两根收卷器同步轴（63）间均匀设有若干组刚性支撑杆（67）；固定刚性骨架（1）上对应于浮升气体囊（2）完全充分展开时，刚性支撑杆（67）所在的位置上固定装配一组撑杆扣锁（68），相邻的刚性支撑杆（67）之间通过拉索连接套环（69）与联络拉索（66）连接；收卷器同步轴（64）通过收卷拉索（65）接最外侧的刚性支撑杆（67），收卷拉索（65）、联络拉索（66）、刚性支撑杆（67）一起组成承力索网，浮升气体囊（2）底部和收束蒙皮（3）内表与收束装置（6）的刚性支撑杆（67）连接固定，承力索网呈带状均匀布置在收束蒙皮（3）上，沿飞艇从前到后的方向延伸，通过收束装置（6）缠绕或释放收卷拉索（65），带动承力索网和收束蒙皮（3）产生移动；浮升气体囊（2）不完全膨胀时，收束蒙皮（3）与浮升气体囊（2）之间形成若干空气室（5）。

2.如权利要求1所述的一种半开放式飞艇，其特征在于固定刚性骨架（1）的顶面、浮升气体囊（2）以外，固定装配有固定蒙皮（4）。

3.如权利要求1所述的一种半开放式飞艇，其特征在于飞艇头部和尾部的两个空气囊（7）下部设有空气囊收束蒙皮（71），空气囊收束蒙皮（71）向气艇中部一端接承力索网的刚性支撑杆（67）末端。

4.如权利要求1所述的一种半开放式飞艇，其特征在于浮升气体囊（2）与固定刚性骨架（1）通过气囊固定件（21）固定。

5.如权利要求1所述的一种半开放式飞艇，其特征在于浮升气体囊（2）底部和收束蒙皮（3）内表面通过蒙皮固定靴片（31）与收束装置（6）的刚性支撑杆（67）连接。

6.如权利要求1所述的一种半开放式飞艇，其特征在于联络拉索（66）通过设置在刚性支撑杆（67）上的拉索连接套环（69）与刚性支撑杆（67）上连接。

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