CN107089315B - 模块化浮空岛 - Google Patents

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Abstract

一种模块化浮空岛，属于浮空技术领域，解决了现有浮空器存在的问题，它包含恒升力材料单元、升力平衡控制单元和网格式骨架，多个恒升力材料单元和多个升力平衡控制单元通过网格式骨架来固定连接；各单元可以实现工业化、标准化、规模化生产，在产品的质量控制和成本控制上具有较大优势；根据不同的服役实际需求，根据需求浮空岛的工况及尺寸可计算需求的单元数量，从而对材料单元定制组装而成，这样规模化的生产可以提高布署及应急响应效率，可以实现工作高度对单元进行更换维修，还可以实现岛与岛的高空对接，实现真正意义的持久驻空浮空岛；本发明用于持久驻空。

Description

模块化浮空岛
技术领域
本发明属于浮空技术领域，具体涉及一种模块化浮空岛。
背景技术
飞艇等浮空器能替代无人机和卫星进行长期定点的驻空作业，在森林巡护，应急通信基站，天气监测等诸多领域具有广泛应用前景，具有高空停留时间长、覆盖范围大、任务成本低、工作寿命长、信息获取与传输能力强等优势；然而现有浮空器采用大容积浮升气体充压维型技术途径，整体为大尺度柔性囊体结构，产品质量控制难度极大，无法工业化、标准化、规模化生产；囊体依靠压力控型，大型囊体压力调节难度大，受环境温度变化影响大，囊体安全性难以保障；并且随着应用要求的提高，具备持久驻空能力和高效率布署的浮空岛成为目前发展需求，现有的浮空器在驻空稳定性及工业化生产方面受到限制，其成本和安全性无法有效控制，为了实现持久稳定驻空和快速的大规模装备更需要进行新产品的研发。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有浮空器存在的上述问题，提供了一种模块化浮空岛，其技术方案如下：
一种模块化浮空岛，它包含恒升力材料单元、升力平衡控制单元和网格式骨架，多个恒升力材料单元和多个升力平衡控制单元通过网格式骨架来固定连接；
恒升力材料单元包含立方体框架、半弹性蒙皮和气阀一，半弹性蒙皮由弹性蒙皮和碳纤维片构成，立方体框架的六个面均以弹性蒙皮密封，弹性蒙皮与立方体框架热合粘接，保证其气密性，在立方体框架的每个面内沿四条棱边分别设置有一块等腰三角形的碳纤维片，碳纤维片与弹性蒙皮粘接，立方体框架的每个面内的四块碳纤维片之间设置为四角星型的镂空，镂空内露出弹性蒙皮，形成半弹性蒙皮，既可弹性变形又能提供一定程度的结构刚度；气阀一设置在碳纤维片的位置；在以弹性蒙皮密封的空间内仅充入氦气，即抽真空再充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下小于立方体框架内部容积，即在地面标准大气压下半弹性蒙皮是内缩状态，并在上升过程中随气压降低而膨胀，上升至工作高度时膨胀为平面，实现自动调节，多个单元连接使用时相互之间不会产生影响；
升力平衡控制单元包含轻质刚性立方体密封外壳，在轻质刚性立方体密封外壳内设置有波纹式伸缩控制气囊，波纹式伸缩控制气囊包含弹性波纹管和直径限制环，弹性波纹管的一端与轻质刚性立方体密封外壳的一侧内壁密封粘接，弹性波纹管的另一端以刚性控压板密封，在轻质刚性立方体密封外壳上对应弹性波纹管内部的位置设置有气阀二，气阀二与充气控制***连接，用来控制弹性波纹管伸缩，充气控制***至少包含气泵和太阳能电池，充气控制***与网格式骨架连接，围绕弹性波纹管的每个波峰均设置有直径限制环，限制弹性波纹管充气伸缩时直径不变，直径限制环与弹性波纹管粘接，为防止直径限制环变形，围绕波纹式伸缩控制气囊设置有筒状导轨；波纹式伸缩控制气囊的最大容积大于轻质刚性立方体密封外壳容积的百分之三十；在轻质刚性立方体密封外壳上对应弹性波纹管外部的位置设置有气阀三，在轻质刚性立方体密封外壳内仅充入氦气，即抽真空再充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下占轻质刚性立方体密封外壳内部最大净容积的百分之六十至七十，最大容积即波纹式伸缩控制气囊完全真空收缩状态的容积，通过对波纹式伸缩控制气囊内充排气控制升力平衡。
本发明的有益效果为：各单元可以实现工业化、标准化、规模化生产，在产品的质量控制和成本控制上具有较大优势；根据不同的服役实际需求，根据需求浮空岛的工况及尺寸可计算需求的单元数量，从而对材料单元定制组装而成，这样规模化的生产可以提高布署及应急响应效率，可以实现工作高度对单元进行更换维修，还可以实现岛与岛的高空对接，实现真正意义的持久驻空浮空岛；由于材料单元自身具有刚性结构和自动调节特性，所以浮空材料单元的压差维形难度小，结构稳定性优于传统浮空器，受环境温度、气压等环境条件变化敏感性很小，极大地提高了浮空岛服役时间和服役可靠性，安全性得到保障；具备持久稳定的驻空能力，适合大规模构建形成模块化浮空岛。
附图说明：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是一个恒升力材料单元在地面的状态示意图；
图3是一个恒升力材料单元在工作高度的状态示意图；
图4是一个恒升力材料单元的分解示意图；
图5是一个升力平衡控制单元的外部结构示意图；
图6是一个升力平衡控制单元的内部结构示意图；
图7是升力平衡控制单元中波纹式伸缩控制气囊的剖视示意图；
图8是网格式骨架的结构示意图。
具体实施方式：
参照图1至图8，一种模块化浮空岛，它包含恒升力材料单元1、升力平衡控制单元2和网格式骨架3，多个恒升力材料单元1和多个升力平衡控制单元2通过网格式骨架3来固定连接；
恒升力材料单元1包含立方体框架1-1、半弹性蒙皮1-2和气阀一1-3，半弹性蒙皮1-2由弹性蒙皮1-2-1和碳纤维片1-2-2构成，立方体框架1-1的六个面均以弹性蒙皮1-2-1密封，弹性蒙皮1-2-1与立方体框架1-1热合粘接，保证其气密性，在立方体框架1-1的每个面内沿四条棱边分别设置有一块等腰三角形的碳纤维片1-2-2，碳纤维片1-2-2与弹性蒙皮1-2-1粘接，立方体框架1-1的每个面内的四块碳纤维片1-2-2之间设置为四角星型的镂空，镂空内露出弹性蒙皮1-2-1，形成半弹性蒙皮1-2，既可弹性变形又能提供一定程度的结构刚度；气阀一1-3设置在碳纤维片1-2-2的位置；在以弹性蒙皮1-2-1密封的空间内仅充入氦气，即抽真空再充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下小于立方体框架1-1内部容积，即在地面标准大气压下半弹性蒙皮1-2是内缩状态，并在上升过程中随气压降低而膨胀，上升至工作高度时膨胀为平面，实现自动调节，多个单元连接使用时相互之间不会产生影响；
升力平衡控制单元2包含轻质刚性立方体密封外壳2-1，在轻质刚性立方体密封外壳2-1内设置有波纹式伸缩控制气囊2-2，波纹式伸缩控制气囊2-2包含弹性波纹管2-2-1和直径限制环2-2-2，弹性波纹管2-2-1的一端与轻质刚性立方体密封外壳2-1的一侧内壁密封粘接，弹性波纹管2-2-1的另一端以刚性控压板2-2-3密封，在轻质刚性立方体密封外壳2-1上对应弹性波纹管2-2-1内部的位置设置有气阀二2-1-1，气阀二2-1-1与充气控制***连接，用来控制弹性波纹管2-2-1伸缩，充气控制***至少包含气泵和太阳能电池，充气控制***与网格式骨架3连接，围绕弹性波纹管2-2-1的每个波峰均设置有直径限制环2-2-2，限制弹性波纹管2-2-1充气伸缩时直径不变，直径限制环2-2-2与弹性波纹管2-2-1粘接，为防止直径限制环2-2-2变形，围绕波纹式伸缩控制气囊2-2设置有筒状导轨2-3；波纹式伸缩控制气囊2-2的最大容积大于轻质刚性立方体密封外壳2-1容积的百分之三十；在轻质刚性立方体密封外壳2-1上对应弹性波纹管2-2-1外部的位置设置有气阀三2-1-2，在轻质刚性立方体密封外壳2-1内仅充入氦气，即抽真空再充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下占轻质刚性立方体密封外壳2-1内部最大净容积的百分之六十至七十，最大容积即波纹式伸缩控制气囊2-2完全真空收缩状态的容积，通过对波纹式伸缩控制气囊2-2内充排气控制升力平衡。
具体实施方式一，立方体框架1-1、轻质刚性立方体密封外壳2-1、直径限制环2-2-2、刚性控压板2-2-3和筒状导轨2-3均采用碳纤维等轻质刚性材料；弹性蒙皮1-2-1和弹性波纹管2-2-1采用线性低密度聚乙烯等弹性高分子聚合物材料。

Claims (2)

1.一种模块化浮空岛，其特征在于它包含恒升力材料单元(1)、升力平衡控制单元(2)和网格式骨架(3)，多个恒升力材料单元(1)和多个升力平衡控制单元(2)通过网格式骨架(3)来固定连接；
恒升力材料单元(1)包含立方体框架(1-1)、半弹性蒙皮(1-2)和气阀一(1-3)，半弹性蒙皮(1-2)由弹性蒙皮(1-2-1)和碳纤维片(1-2-2)构成，立方体框架(1-1)的六个面均以弹性蒙皮(1-2-1)密封，弹性蒙皮(1-2-1)与立方体框架(1-1)热合粘接，在立方体框架(1-1)的每个面内沿四条棱边分别设置有一块等腰三角形的碳纤维片(1-2-2)，碳纤维片(1-2-2)与弹性蒙皮(1-2-1)粘接，立方体框架(1-1)的每个面内的四块碳纤维片(1-2-2)之间设置为四角星型的镂空，镂空内露出弹性蒙皮(1-2-1)；气阀一(1-3)设置在碳纤维片(1-2-2)的位置；在以弹性蒙皮(1-2-1)密封的空间内仅充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下小于立方体框架(1-1)内部容积；
升力平衡控制单元(2)包含轻质刚性立方体密封外壳(2-1)，在轻质刚性立方体密封外壳(2-1)内设置有波纹式伸缩控制气囊(2-2)，波纹式伸缩控制气囊(2-2)包含弹性波纹管(2-2-1)和直径限制环(2-2-2)，弹性波纹管(2-2-1)的一端与轻质刚性立方体密封外壳(2-1)的一侧内壁密封粘接，弹性波纹管(2-2-1)的另一端以刚性控压板(2-2-3)密封，在轻质刚性立方体密封外壳(2-1)上对应弹性波纹管(2-2-1)内部的位置设置有气阀二(2-1-1)，气阀二(2-1-1)与充气控制***连接，充气控制***与网格式骨架(3)连接，围绕弹性波纹管(2-2-1)的每个波峰均设置有直径限制环(2-2-2)，限制弹性波纹管(2-2-1)充气伸缩时直径不变，直径限制环(2-2-2)与弹性波纹管(2-2-1)粘接，围绕波纹式伸缩控制气囊(2-2)设置有筒状导轨(2-3)；波纹式伸缩控制气囊(2-2)的最大容积大于轻质刚性立方体密封外壳(2-1)容积的百分之三十；在轻质刚性立方体密封外壳(2-1)上对应弹性波纹管(2-2-1)外部的位置设置有气阀三(2-1-2)，在轻质刚性立方体密封外壳(2-1)内仅充入氦气，氦气的充入体积为标准大气压下占轻质刚性立方体密封外壳(2-1)内部最大净容积的百分之六十至七十。
2.如权利要求1所述一种模块化浮空岛，其特征在于立方体框架(1-1)、轻质刚性立方体密封外壳(2-1)、直径限制环(2-2-2)、刚性控压板(2-2-3)和筒状导轨(2-3)均采用碳纤维材料；弹性蒙皮(1-2-1)和弹性波纹管(2-2-1)采用线性低密度聚乙烯材料。
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