CN105644762A - 一种新型平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

一种新型平流层飞艇，布局如下：一：内部超压单元为多个独立布置的充氦气囊，单元采用多层复合柔性材料拼接而成，单元安装了放气阀门、温度测量传感器、压差测量传感器、浮力测量传感器、安控装置等设备；二：外部整流蒙皮采用轻质材料拼接而成，蒙皮沿内部浮力单元形成流线外形，蒙皮不封闭；三：太阳能电池采用柔性电池直接铺设在外部整流蒙皮上；四：下部刚性结构采用轻质复合材料桁架架构，在结构的前后方安装矢量推进螺旋桨，在结构的左右两侧安装非矢量推进螺旋桨；五：设备吊舱集成在半密封的轻质碳纤维结构桁架上，通过热控***实现对设备吊舱内部的温度调节；六：在桁架结构的底部安装气囊或蜂窝缓冲***。

Description

一种新型平流层飞艇

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种长航时新结构平流层飞艇。

背景技术

平流层飞艇作为一种可持久飞行的低速飞行器，近年来成为国内外研究的重点，可以作为对地观测、通信中继以及空中目标探测与识别的大载重平台。美国、俄罗斯、欧盟、韩国和日本均有相关项目支撑研究，其中美国已完成多种平台的缩比样机研制与测试。

平流层飞艇的研制涉及到多项关键技术，具体包括总体设计技术、柔性薄膜太阳能电池技术、高比能量储能电池技术、高效推进技术以及飞行控制技术等，其中最为关键的是总体设计技术，需要基于可达的单项技术指标完成可行的总体方案的设计。

发明内容

针对现有关键技术及发展，提供一种模块化结构，具有良好的气动性能、并可以在平流层持久飞行的新型结构平流层飞艇。

本发明采用的技术方案为：

一种新型平流层飞艇，包括2-50个内部超压浮力单元、外部整流蒙皮、下部桁架结构、太阳能电池、电动矢量推进装置、储能***、航电设备、着陆防护装置。内部超压浮力单元为飞艇提供驻空飞行所需的浮力，外部采用轻质非保压整流蒙皮构成飞艇整体低阻外形，外部整流蒙皮与内部浮力单元的最大直径附近位置连接；浮力单元通过缆索连接到底部刚性桁架结构上；太阳能电池布置在外部整理蒙皮上，其他***和设备布置桁架结构上。

所述的内部超压浮力单元为多个独立布置的球形、椭球形、圆柱形或其他外形的充氦气囊，内部浮力单元可采用相同或不同尺寸大小；内部超压浮力单元采用多层复合柔性材料拼接而成，可承受较大的浮力体内外压差；内部超压浮力单元上安装了放气阀门、温度测量传感器、压差测量传感器、浮力测量传感器、安控装置等设备。

外部整流蒙皮采用轻质材料拼接而成，蒙皮上布置加强筋条，加强筋条与内部超压浮力单元连接，蒙皮沿内部浮力单元形成流线外形，蒙皮不封闭，内部为与大气联通的空气。

飞艇的太阳能电池采用柔性电池直接铺设在外部整流蒙皮上，也可采用半柔性或刚性电池做成整体可折叠结构铺设在外部整流蒙皮上，以适应在柔性整流蒙皮上的布设

飞艇下部刚性结构采用轻质复合材料桁架架构，在结构的前后方安装矢量推进螺旋桨，在结构的左右两侧安装非矢量推进螺旋桨。

设备吊舱集成在轻质碳纤维结构桁架上，并采用半密封结构，并通过热控***实现对设备吊舱内部的温度调节。

在桁架结构的底部安装气囊或蜂窝缓冲***，以适应不同地形条件下***着陆时对飞艇底部结构的保护。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的优点有：

本发明在平流层环境下依靠内部浮力单元的耐压能力承受囊体昼夜温度变化导致的压差载荷，并保持飞艇飞行高度。

本发明在平流层环境下通过外部非承压柔性蒙皮优化了飞艇表面的气体流动，抑制流动分离，降低了飞行阻力。

本发明的氦气囊体数量可以根据设计需要改变，取决于需要携带的任务载荷重量,具有较强的可扩展特性。

本发明可飞行至17km至22km高度，利用太阳能循环能源，通过能源与载荷的匹配设计实现长航时飞行。

附图说明

图1是本发明的总体布局示意图(内部含4个浮力单元、高空状态)

图2是本发明的总体布局示意图(内部含4个浮力单元、地面状态)

图3是本发明的总体布局示意图(内部含4个椭球体浮力单元)

图4是本发明的总体布局示意图(内部含7个浮力单元)

图中标记：1、前部浮力单元，2、上部整流蒙皮，3、可折叠太阳能电池，4、中间浮力单元，5、后部浮力单元，6、传力缆索组件，7、下部整流蒙皮，8、前部推进螺旋桨，9、复合材料桁架，10、中部推进螺旋桨，11、设备吊舱，12、底部缓冲装置，13、张力缆索，14、后部推进螺旋桨，15、柔性连接组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如附图1所示的一种新型结构平流层飞艇，包括一个前部浮力单元1、两个中间浮力单元4和一个后部浮力单元5，共计四个浮力单元，前部和后部浮力单元直径小于中部浮力单元，可减小飞行阻力；四个浮力单元内部充填氦气或氢气，产生驻空飞行时所需的浮力。由于飞艇需要在平流层昼夜交替环境下持久飞行，白天受太阳辐照的影响，与夜间相比，会导致浮力单元内部氦气温度升高，浮力单元内部与外部气体压差升高，浮力单元表层材料需要承受较大的拉力，因此浮力单元需要使用具有较高承力性能的多层柔性复合材料。

为了使得飞艇具有良好的气动性能，同时降低太阳对浮力单元的直接照射，在多个浮力单元之间需要设计上部整流蒙皮2和下部整流蒙皮7，连接位置为各浮力囊体的最大直径位置附近。与一般飞艇显著不同的是，该整流蒙皮为非密封结构，其内部气压与飞艇外部气压相同，其主要作用是优化飞艇外部气体流动，减小飞行时飞艇表面的气流分离，同时可以降低浮力单元的昼夜压差波动。由于整流蒙皮为非密封结构，且仅上表面承载太阳能电池阵重量，因此其所用材料可选用具有一定弹性的薄膜材料或轻质多层复合材料。

可折叠太阳能电池3采用刚性单晶硅太阳能电池片封装成为刚性模块，多模块采用铰接连接具备整体可折叠特性，太阳能电池3安装在上部整流蒙皮7上，为飞艇提供太阳能源。

推进装置包括前部矢量推进装置8、中部推进装置10和后部矢量推进装置14，均固定安装在复合材料桁架9上，通过控制各推进装置工作状态调节飞行速度和航向姿态。

浮力单元1、浮力单元4和浮力单元5通过传力缆索6与下部碳纤维复合材料桁架9连接，将浮力传递到桁架上。上部整理蒙皮2和下部整理蒙皮7起到一定限位作用，防止浮力单元位置前后摆动。桁架9上的部件之间连接绳索、加强带等柔性连接组件15，起到加强整体刚度的作用。

设备吊舱11集成在碳纤维复合材料桁架9上，11吊舱并采用半密封结构，为航电设备和载荷提供工作环境，并通过热控***实现对设备吊舱内部的温度调节。

在桁架9的底部安装气囊或蜂窝缓冲***12，以适应不同地形条件下***着陆时对飞艇下部桁架结构9和航电吊舱11的保护。

实施例2

如附图1所示的一种具有较大载荷能力和能源供应能力的平流层飞艇，包括一个前部浮力单元1、五个中间浮力单元4和一个后部浮力单元5，共计七个浮力单元，前部和后部浮力单元直径小于中部浮力单元，可减小飞行阻力；四个浮力单元内部充填氦气或氢气，产生驻空飞行时所需的浮力。由于飞艇需要在平流层昼夜交替环境下持久飞行，白天受太阳辐照的影响，与夜间相比，会导致浮力单元内部氦气温度升高，浮力单元内部与外部气体压差升高，浮力单元表层材料需要承受较大的拉力，因此浮力单元需要使用具有较高承力性能的多层柔性复合材料。

为了使得飞艇具有良好的气动性能，同时降低太阳对浮力单元的直接照射，在多个浮力单元之间需要设计上部整流蒙皮2和下部整流蒙皮7，连接位置为各浮力囊体的最大直径位置附近。与一般飞艇显著不同的是，该整流蒙皮为非密封结构，其内部气压与飞艇外部气压相同，其主要作用是优化飞艇外部气体流动，减小飞行时飞艇表面的气流分离，同时可以降低浮力单元的昼夜压差波动。由于整流蒙皮为非密封结构，且仅上表面承载太阳能电池阵重量，因此其所用材料可选用具有一定弹性的薄膜材料或轻质多层复合材料。

可折叠太阳能电池3采用刚性单晶硅太阳能电池片封装成为刚性模块，多模块采用铰接连接具备整体可折叠特性，太阳能电池3安装在上部整流蒙皮7上，为飞艇提供太阳能源。

推进装置包括前部矢量推进装置8、中部推进装置10和后部矢量推进装置14，均固定安装在复合材料桁架9上，通过控制各推进装置工作状态调节飞行速度和航向姿态。

浮力单元1、浮力单元4和浮力单元5通过传力缆索6与下部碳纤维复合材料桁架9连接，将浮力传递到桁架上。上部整理蒙皮2和下部整理蒙皮7起到一定限位作用，防止浮力单元位置前后摆动。桁架9上的部件之间连接绳索、加强带等柔性连接组件15，起到加强整体刚度的作用。

设备吊舱11集成在碳纤维复合材料桁架9上，11吊舱并采用半密封结构，为航电设备和载荷提供工作环境，并通过热控***实现对设备吊舱内部的温度调节。

在桁架9的底部安装气囊或蜂窝缓冲***12，以适应不同地形条件下***着陆时对飞艇下部桁架结构9和航电吊舱11的保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型平流层飞艇，其特征在于，飞艇由2-50个内部超压浮力单元、外部整流蒙皮、下部桁架结构、太阳能电池、电动矢量推进装置、储能***、航电设备、着陆防护装置等组成；内部超压浮力单元为飞艇提供驻空飞行所需的浮力，外部采用轻质非保压整流蒙皮构成飞艇整体低阻外形，外部整流蒙皮与内部浮力单元的最大直径附近位置连接；浮力单元通过缆索连接到底部刚性桁架结构上；太阳能电池布置在外部整理蒙皮上，其他***和设备布置桁架结构上。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，内部超压浮力单元为多个独立布置的球形、椭球形、圆柱形或其他外形的充氦气囊，内部浮力单元可采用相同或不同尺寸大小；内部超压浮力单元采用多层复合柔性材料拼接而成，可承受较大的浮力体内外压差；内部超压浮力单元上安装了放气阀门、温度测量传感器、压差测量传感器、浮力测量传感器、安控装置等设备。

3.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，外部整流蒙皮采用轻质材料拼接而成，蒙皮上布置加强筋条，加强筋条与内部超压浮力单元连接，蒙皮沿内部浮力单元形成流线外形，蒙皮不封闭，内部为与大气联通的空气。

4.根据权利要求1和2所述的平流层飞艇，其特征在于，太阳能电池采用柔性电池直接铺设在外部整流蒙皮上，也可采用半柔性或刚性电池做成整体可折叠结构铺设在外部整流蒙皮上，以适应在柔性整流蒙皮上的布设。

5.根据权利要求1和2所述的平流层飞艇，其下部刚性结构采用轻质复合材料桁架架构，在结构的前后方安装矢量推进螺旋桨，在结构的左右两侧安装非矢量推进螺旋桨。

6.根据权利要求1、2和5所述的平流层飞艇，其特征在于，设备吊舱集成在轻质碳纤维结构桁架上，并采用半密封结构，并通过热控***实现对设备吊舱内部的温度调节。

7.根据权利要求1、2和5所述的平流层飞艇，其特征在于，在桁架结构的底部安装气囊或蜂窝缓冲***，以适应不同地形条件下***着陆时对飞艇底部结构的保护。