CN105539805A - 一种飞艇气囊地面快速安全充气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，本发明通过将高压气体在充气装置中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大充气压力和速度时，实现气体总流量恒定，从而大大加快了充气速度和充气安全性，经过实际实验验证，该方法在保证安全的条件下可极大提高目前飞艇气囊的充气速度。

Description

一种飞艇气囊地面快速安全充气装置

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种飞艇气囊地面快速安全充气装置。

背景技术

飞艇是由气囊提供净浮力升空飞行的一种飞行器，为保证飞艇充气、放飞、飞行、降落的安全性，一般采用氦气作为飞艇的浮升气体。飞艇尤其是平流层飞艇的蒙皮材料为耐候层、阻隔层、织物层和粘结层组成的层合式复合材料，其要求强度高(一般强度应大于700N/cm，体积可达几万立方)、质量轻(面密度一般要求小于200g/m²)。当前飞艇气囊的充气主要采用钢瓶和氦气排管车(管束车、槽罐车)将容器中的高压氦气，通过阀门控制充入入气管路中，氦气经由入气管路进入气囊。管束车中氦气为气态，气压可达十几到几十MPa以上，一般钢瓶中也为气态，高压也在十几MPa以上，氦气瓶阀和减压阀为都为标准型号。

飞艇的气囊体积巨大，蒙皮材料虽强度较高，但相比于金属类材料，其强度还存在一定差距，采用传统的充气方式直接利用氦气管束车或氦气瓶保证产品安全条件下充气时，充气速度较慢，飞艇气囊的地面滞空时间较长，给飞艇的放飞带来了安全隐患，特别是地面风力达到3级以上时，气囊的风帆效应带来的风载将是非常巨大的(放飞试验场一般很少有持续2个小时以上不出现3级以上地面风的情况)，不能满足现代飞艇快速安全放飞的要求。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，用以解决现有技术中飞艇气囊充气速度慢的问题。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，该装置包括：

进气管和扩散管，所述进气管的管径小于所述扩散管的管径；

所述进气管的一端与气罐的出气管连接，所述进气管的另一端伸进所述扩散管内，伸进所述扩散管内的所述进气管的侧壁上均布有多个分流减压孔，且伸进所述扩散管内的所述进气管的一端密封；

所述扩散管与气囊的入气管连接。

优选地，所述进气管与所述扩散管的连接面与所述进气管的中心轴呈预定的角度θ。

优选地，所述角度θ小于等于90度，且大于0度。

优选地，所述扩散管的外壁上设置有密封圈，所述密封圈用于将所述扩散管与所述入气管进行密封连接。

优选地，伸进所述扩散管内的所述进气管的长度小于所述扩散管的长度。

优选地，该装置还包括：用于将所述气囊整体提起的提升部；

所述提升部与所述气囊顶端的法兰盘。

优选地，该装置还包括：用于对所述气囊进行高度调整的可调整缆绳。

优选地，该装置还包括约束气囊的搭扣。

优选地，所述进气管和所述扩散管为金属材质。

优选地，所述气囊充气时用搭扣进行约束。

本发明通过将高压气体在充气装置中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大充气压力和速度时，实现气体总流量恒定，从而大大加快了充气速度和充气安全性，经过实际实验验证，该方法在保证安全的条件下可极大提高目前飞艇气囊的充气速度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例的飞艇气囊充气示意图；

图2为本发明实施例的飞艇气囊地面快速安全充气装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，通过将高压气体在刚性结构中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大充气压力和速度时，实现气体总流量恒定，加快了充气速度和充气安全性，为了更好的理解本发明，下面仅以几个具体的例子对本发明进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，参见图1和图2，该装置3包括：进气管31和扩散管32，所述进气管31的管径小于所述扩散管32的管径；所述进气管31的一端与气罐1的出气管2连接，所述进气管31的另一端伸进所述扩散管32内，伸进所述扩散32管内的所述进气管31的侧壁上均布有多个分流减压孔33，且伸进所述扩散管32内的所述进气管31的一端密封；所述扩散管32与气囊的入气管4连接。

本发明通过将高压气体在充气装置中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大充气压力和速度时，实现气体总流量恒定，从而大大加快了充气速度和充气安全性。经过实际实验验证，该方法在保证安全的条件下可极大提高目前飞艇气囊的充气速度。

需要说明的是，本发明实施例所述进气管31和所述扩散管32均为金属材质。

本发明实施例所述进气管31与所述扩散管32的连接面与所述进气管31的中心轴呈预定的角度。该角度可根据实际需要进行任意设置，如设置为90度等等。

需要说明的是，当该连接面设置的与进气管31呈一定角度时，可以改变装置内的出气流速，具体来说，该连接面的斜面越长，则出气流速越快，所以具体实施时，本领域的技术人员可以根据实际需要进行设置，即，根据需要的气体流速和分流减压孔在斜面的位置关系来设置该连接面的倾斜角度。

具体实施时，本发明可将所述进气管31设置为与所述扩散管32为固定连接，或者是螺接、卡接等可动连接，即进气管31与扩散管32之间的位置可以调整，从而在充气初期时，调整分流减压孔为远离扩散管32的斜面，从而减缓充气速度，而在充气后期，调整分流减压孔接近扩散管32的斜面，从而增加充气速度。

具体实施时，本发明实施例所述扩散管32的外壁上设置有密封圈34，所述密封圈34用于将所述扩散管32与所述入气管4进行密封连接，以使二者能够更好的实现固定。即，通过该密封圈34以实现扩散管32与入气管4的更好的连接性。

需要说明的是，具体实施时，为了获得更稳定的气流，实现更好的充气效果，伸进所述扩散管32内的所述进气管31的长度小于所述扩散管32的长度。

为了达到更好的充气效果，本发明实施例所述的装置还包括：用于将所述气囊整体提起的提升部5，具体的，本发明通过将所述提升部5与所述气囊顶端的法兰盘进行连接，从而最终实现将气囊提起。

即，通过所述提升部5将气囊提起，减小气体流动阻力，以更快的实现对气囊的充气。

本发明实施例所述的装置还包括：用于对所述气囊进行高度调整的可调整缆绳6。在充气过程中，需要不断调整该缆绳6，以实现更安全的充气。同时通过搭扣约束气囊入气管的中下部，减小气囊的迎风面积，实现安全充气。

本发明是通过将高压气体在刚性结构中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力相对较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大出气量时，实现气体压力转换；在气体进入气囊后，为了保证气体快速流入气囊，通过辅助提升气囊和充气气管设计位置的配合，降低了气体克服气囊本身重力和气囊材料折叠挤压的阻力作用，实现气囊的快速进气。以下分析本发明的可行性。

气体从孔口、管嘴向外喷射形成的气体流动称为气体射流。当出口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射流。出流空间大小对射流的流动影响很大。出流道无限大空间中，流动不受固体边壁限制，为无限空间射流，反之为有限空间射流。目前气囊充气管与氦气罐出气管直径存在差异，充气时会出现紊乱射流，影响充气效率的提升和充气安全。

根据连续性原理：在同一流管中理想流体作定常流动时，流体的平均流速与流管的横截面积的乘积是一个衡量。

Q＝SV

其中，Q为流量，单位为m³/s，S为流管横截面积，单位为m²，v为流体的平均流速m/s。要想在一定条件下实现气囊的快速充气，必须加大氦气罐的输出流量(射流强度加大)，考虑到柔性充气管的强度，为保证安全充气，必须增加气体流动的截面，也就是增加出气管的直径，同时还必须保持一定的流速来保证流量不变，因此增加了出气管道与气囊充气刚柔连接处的复合材料横截面积，一方面通过该装置缓冲高压气体带来的冲击力，降低对气囊柔性充气管的损伤，另一方面将转换后的大截面高速气体通过等截面的充气管稳定快速的充入气囊中。

气体在气囊中流动时，必须克服气囊材料不规则形态带来的阻力而消耗一定的能量，形成能量损失，流动阻力是造成能量损失的根本原因。影响流动阻力的因素有气体的粘滞性和惯性(内因)和管道边壁形状及壁面粗糙度的阻碍和扰动作用(外因)，因此带来的能量损失有沿程损失能量和局部损失能量。沿程损失能量是克服沿程阻力(管壁粗糙程度和气体粘滞阻力)产生的能量损失，用符号h_f表示，单位J/kg，沿程损失的大小与流程的长度成正比。局部损失能量是克服局部阻力(管件、阀门、细小管道等边壁条件急剧变化使气体产生边界层分离或气体受到压缩、扩张，引起的流动速度重新分布)产生的能量损失，用符号hj表示，单位J/kg。

整个管路的总能量损失等于各管段的沿程损失和各处的局部损失的总和。

$h_f=\mathrm{\λ}\frac{L}{d}\frac{v^2}{2}$

h_w＝∑h_f+∑h_j

其中，h_w为管路的总能量，λ为沿程阻力系数，为局部阻力系数，v为截面的平均流速，单位为m/s。对于气体在气囊中流动来说，要想在一定条件下实现气囊的快速充气，必须减小沿程损失能量和局部损失能量，主要方法是将边壁阻力减小，通过提升气囊，整理气囊状态，减小局部气囊材料折叠挤压带来的边壁急剧变化阻力，同时减小气体克服气囊重力做功的带来的能量损失(一般气囊重量可到几百公斤)，同时减小气体沿程长度。

根据以上原理，下面将通过一个具体的例子对应用本发明实施例所述的装置进行飞艇气囊充气步骤进行说明：

(1)气囊展开：将叠成S形的气囊从囊体箱中取出，依顺序展开顶端部分气囊，整理缆绳6和入气管4，撤离囊体箱，利用搭扣约束囊体中上部；

(2)气囊初步提升：将气囊的入气管4与充气装置3连接、充气装置3与氦气罐1的出气管2连接，利用提升装置5将气囊向上提升至入气管4与囊体连接部分离地，根据地面气象情况及气囊折叠情况调整气囊状态，使其具备充气条件；

(3)气囊初始充气：向气囊内缓慢充气，根据地面气象情况及气囊折叠情况调整气囊状态，使其具备快速充气条件；

(4)气囊稳定快速充气：待气囊充气至有一定形态后加快充气速度，同时，根据气囊外形变化适时提升囊体，地面操作人员缓慢释放气囊缆绳且保持受力均匀，随着充气量增加，气囊逐渐成型，撤除气囊顶端提升部5；

(5)充气完成状态确认：待囊体充气完成时，关闭氦气罐阀门，然后撤出入气管4，扎紧气囊入气管4，解开搭扣，调整气囊缆绳6，使其受力均匀，气囊充气完成。

氦气罐1中气体通过减压阀进入出气管2，然后降压后的高速氦气流进入充气装置3，高压氦气通过分流减压孔33，将氦气边界层气流进行分流处理，进入扩散管32，这样整个氦气流在提升整个管道流量的同时，降低了气流对管道的冲击强度。扩散管32与气囊入气管4连接，实现了入气管4的尺寸对接转换，同时也保证了在提升充气速度同时，气流占满整个入气管，防止了入气管4折叠扭转导致气体压力急剧增大带来的管路破裂问题。最后对柔性入气管4进行扎紧密封。

根据氦气罐流量Q和入气管2直径d，以及气囊入气管2极限拉伸力F的约束，可得到充气装置的扩散管32的长度L2、扩散管32直径D、连接面的长度L1和扩散角θ(0°～180°)、进气管31深入扩散管32的深度L3、分流减压孔33直径dn以及开孔数量n的最佳设计值(以圆形开孔为例)。即，本发明实施例所述的进气管31直径d和扩散管32直径D具体需根据出气管2以及入气管4的直径，以及其他的各类尺寸可以根据具体需要进行设置。举例说明，根据氦气罐的流量和柔性材料强度，设计出气管2外直径为48mm，充气装置的扩散管32的长度L2为1000mm、扩散管32外直径D为200mm(忽略厚度)、连接面的长度L1为0，扩散角θ为90°、进气管31深入扩散管32的深度L3为700mm、分流减压孔33直径为20mm，开孔数量n为72。

实践表明，采用本发明对飞艇气囊进行充气，当充气量为1100m3时，采用传统充气方法，通过两根入气管道同时对气囊进行充气，在保证安全条件下充气时间约为3.5小时。利用本发明及充气装置，当充其量为1400m3时，通过两根入气管道同时对气囊进行充气，充气时间在1小时以内。

本发明至少能够达到以下的有益效果：

1.通过将高压气体在充气装置(刚性结构)中进行分流，将压力高，流速大，出气管较窄的气流转变为压力较低，流量较大的气流，然后充入柔性材料制作的管道中，这样保证了在氦气罐保持最大充气压力和速度时，实现气体总流量恒定，加快了充气速度和充气安全性；

2.在气体进入气囊后，为了保证气体快速流入囊体，通过辅助的提升部将气囊提升的方法和充气气管设计位置的配合，降低了气体克服气囊本身重力和气囊材料折叠挤压阻力的作用，实现气囊的快速进气；

3.利用搭扣约束囊体中上部，减小了滞空气囊的迎风面积，极大程度保证了充气过程中囊体的安全性，在完成充气后，搭扣可通过地面人员拉伸解开。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种飞艇气囊地面快速安全充气装置，其特征在于，该装置3包括：进气管31和扩散管32，所述进气管31的管径小于所述扩散管32的管径；

所述进气管31的一端与气罐1的出气管2连接，所述进气管31的另一端伸进所述扩散管32内，伸进所述扩散32管内的所述进气管31的侧壁上均布有多个分流减压孔33，且伸进所述扩散管32内的所述进气管31的一端密封；

所述扩散管32与气囊的入气管4连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述进气管31与所述扩散管32的连接面与所述进气管31的中心轴呈预定的角度θ。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述角度θ小于等于90度，且大于0度。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，

所述进气管31与所述扩散管32为固定连接。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，

所述扩散管32的外壁上设置有密封圈34，所述密封圈34用于将所述扩散管32与所述入气管4进行密封连接。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，

伸进所述扩散管32内的所述进气管31的长度小于所述扩散管32的长度。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括：用于将所述气囊整体提起的提升部5；

所述提升部5与所述气囊顶端的法兰盘进行连接。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括：用于对所述气囊进行高度调整的可调整缆绳6。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，

所述进气管31和所述扩散管32均为金属材质。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，

所述气囊充气时用搭扣进行约束。