CN110723270B - 一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，包括由张拉整体主龙骨撑起的外囊体，和所述外囊体内部的多个密封的内囊体。所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环，及顺序连接各个加劲环中心的毂轴的两端后、通贯所述平流层飞艇长度方向的多个中芯轴桁架，当温度或光照变化时，所述张拉整体主龙骨承受来自于外囊体的负压，使外囊体体积变化很小，平流层飞艇仍可相对稳定地悬浮于平流层中。本发明的平流层飞艇，通过设置固定形状的张拉整体主龙骨，限制了所述外囊体的外形，基本保证了所述外囊体的体积及浮力稳定，故可实现长期驻空飞行，内部压力控制简单和姿态稳定、能耗低，升空和返航可控性优，为平流层飞艇走向工业化应用奠定基础。

Description

一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇

技术领域

本发明涉及浮空飞行器技术领域，尤其涉及一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇。

背景技术

平流层，也叫同温层，地球大气层从下往上的第二层，在对流层之上，中间层之下，即海平面向上约10-50公里，上暖下冷，平均大气密度约88.9g/m³,平流层中大气为水平流动，极少发生上下翻滚，空气流动相对稳定，故飞行器大多在平流层中飞行。

平流层飞艇就是一种利用静浮力，并结合推进和综合环控、飞控、能源等分***的，长期驻空于平流层临近空间的低动态飞行器，具有广泛的军民应用潜力，是国家战略性空间资源开发平台和重点研发领域。但是，目前，在世界范围内，仍处于关键技术攻关、瓶颈技术突破、集成技术验证阶段，尚没有成熟的工业级应用产品。

由于平流层空气稀薄，空气密度仅约海平面1/14，浮力极小，因此，国内外为了轻量化，一般为采用由轻质材料制成的软式飞艇。但是，平流层昼夜交替导致飞艇温度交变，由此则产生浮力变化、压力变化、和质心变化，导致飞艇驻空状态不稳定。同时，稀薄气体使得空气压缩困难，因此，维持压力的鼓风机需要低流量、高压头的专用鼓风机，能耗高、效率低、但造价却高；且稀薄空气要求高空螺旋桨桨径大，速度低，重量大，更使得推力效率低。另外，还会消耗较多的能源以维持飞艇***的状态，这也增加了飞艇***的总重量。故平流层飞艇***的总重量并不轻。而且飞艇***要求长期驻空、保持高度、并维持浮力，目前技术中，仍未能得到有效的解决。国内外该领域科技人员仍在进行各种探索。

其中，中国专利申请“一种仿生平流层飞艇”(CN108706091A)，和“一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法”(CN108725734A)，根据僧帽水母的外形原理，提出了一种新型的飞艇构型与布局，在热调节气囊内填充有气液可逆调控的工质，通过热力循环装置将工质实现在液态与气态之间相互转换，并采用压力与浮力协同控制的方法，实现了对压力与浮力的长期控制，但是没有解决质心调节的问题。

中国专利“一种含有氢气调节装置的平流层飞艇”(CN106394855A)，通过储氢压舱物的释放，补充氦气损耗，从而维持浮力和压力，以及结合燃料电池的氢氧水电化学反应实现循环，但是，技术难点多，并且氢气目前尚禁止用于飞艇。

中国专利“一种具有氨气副气囊的飞艇及其浮力控制方法”(ZL201110012621.8)，采用氨气副气囊三元气囊，并通过气液间的相变来实现对压力与浮力的控制，该方案具有较高的可行性，但是，氨气工质对浮心和飞艇质心的影响及其控制问题都没有得到有效解决。

中国专利“大体型飞艇的刚性结构体系”(CN201521080600.X)提出了一种刚性结构体系的飞艇，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构。其中预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成。但是，该结构的预应力加劲环的刚度低、稳定性很差，通长的中芯轴贯穿飞艇囊体的首尾，分别穿过若干个预应力加劲环的中心管，导致中芯轴受较大的压弯作用力，容易失稳，承载力低，安装不便，难以形成整体可行的预张力；柔性外囊体结构与预应力结构体系难以协同受力，整体结构效率低。

中国专利申请“一种新型结构的硬式平流层飞艇”(CN108725741A)，提供了一种硬式平流层飞艇，在外囊体外设置多个由加劲环和杆件构成的外囊体框架，将内囊体分隔为沿飞艇轴向依次排布的舱室内囊体，存储氦气，外囊体与内囊体之间的囊体内存储空气，虽然方案被称为硬式飞艇，且可承受负压，但该方案本质上仍是一个整体软式结构的飞艇概念，仅仅局部是增强了的结构体系，即整个飞艇结构体系仍需要外囊体充气超压维持飞艇形态和刚度。

中国专利申请“一种大尺度半刚性结构飞艇”(CN201910275705.7)，采用拉压自平衡体系的整体龙骨与预张力囊体相集成、以协同受力的结构，预张力囊体具有在零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载形的特点。但是，囊体总体是非负压，可接近于零压，部分囊体(头部球形或低阻流线形)在低压或零压下并不能保持其形态与刚度，同时，该发明仅针对飞艇的结构体系，未涉及飞艇总体特质的改进。

即现有技术中的平流层飞艇，其长期驻空生存能力仍然没有很好地得以解决，已经成为平流层飞艇走向工业化应用的障碍。

因此，现有技术还有待于进一步提高和改进。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，以提高平流层飞艇的长期驻空生存能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，包括密封的外囊体和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体；所述外囊体由柔性低透气率的薄膜材料包裹一刚性的张拉整体主龙骨围成，所述外囊体内充有空气；所述内囊体由超轻质低强度薄膜制成，所述内囊体内充有氦气，所述内囊体在所述外囊体顶部设有氦气阀门；所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环及一组中芯轴桁架，所述中芯轴桁架顺序连接固定在各个加劲环的中心的毂轴的两端，连接后通贯所述平流层飞艇的长度方向；所述加劲环包括用于支撑起所述外囊体的外环，所述外环包括由沿周向分开设置的一组三角形桁架连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架包括向外抵触并撑开两根所述子环的两个外弦节点和远离所述外囊体的一个内弦节点；所述内弦节点通过两根径向拉杆，分开连接所述毂轴的两端。

优选地，所述内囊体环状包绕所述中芯轴桁架。

优选地，还包括用于调节所述外囊体内部气压的环控***，以维持所述外囊体内的气压在设定的负压限值和设定的正压限值之间；所述环控***包括环控控制器，在内外压差下，分别控制开闭设置于所述外囊体底部的一组常闭的空气阀门和安装在所述外囊体上的一组鼓风机；当所述外囊体内正压高于所述正压限值时，所述环控控制器控制打开所述空气阀门，在正压下向外排气；所述鼓风机的吹风口设有常闭的止回叶片，当所述外囊体内负压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制所述鼓风机工作，吹风打开所述止回叶片，向所述外囊体的内部充气，减少负压；所述负压限值不超过所述张拉整体主龙骨的抗压极限所对应的负压值，所述正压限值不超过所述外囊体的抗拉极限所对应的正压值；所述外囊体内的气压高于所述外囊体外大气压时为正压，所述外囊体内的气压低于所述外囊体外大气压时为负压。

更优选地，所述空气阀门和所述鼓风机设置多个。

更优选地，所述鼓风机包括高空鼓风机和低空鼓风机，根据所述平流层飞艇的悬浮高度，由所述环控控制器控制工作。

优选地，还包括用于机动所述平流层飞艇的推进***，所述推进***包括至少一个由推进控制器控制的尾推；所述尾推固定于所述平流层飞艇的尾部区域的外囊体的外表面上，正对所述中芯轴桁架的端部。

更优选地，所述推进***还包括至少一个由所述推进控制器控制的侧推，所述侧推左右对称地固定于所述外囊体的外表面上，正对所述外环。

进一步优选地，所述侧推和所述尾推采用高空电机驱动高空桨。

优选地，所述平流层飞艇还包括用于提供能量的能源***、和用于放置承载物的吊舱。

更优选地，所述能源***包括覆盖所述平流层飞艇的至少部分上表面的太阳能采集板，所述太阳能采集板电连接一用于供电所述平流层飞艇的蓄电池。

进一步优选地，所述蓄电池供电所述环控***和/或所述推进***。

进一步优选地，所述蓄电池放置于所述吊舱中。

优选地，相邻两个所述加劲环由一组垂直于环向散开的纵拉杆相互连接，所述纵拉杆固定连接相邻两个加劲环上、正对相邻的一对外弦节点。

更优选地，所述平流层飞艇还包括设置于飞艇头部区域，连接于相邻两个加劲环上的、相互正对的一对外弦节点上的张弦次龙骨，所述张弦次龙骨包括由至少一个空腹形的撑杆撑开的张弦外拉杆和张弦内拉杆，同一对外弦节点上连接的所述纵拉杆依次穿过所述撑杆。

进一步优选地，所述张弦外拉杆贴合于所述外囊体的内表面上。

进一步优选地，所述张弦外拉杆和所述张弦内拉杆对称或不对称设置，所述撑杆的数量根据所述张弦次龙骨的节段长度设定，不少于3根。

优选地，所述外囊体在尾部区域的相对的两侧外表面上，还正对分开设置至少两对尾翼，所述尾翼为充气尾翼，四个尾翼呈X形布局。

优选地，所述平流层飞艇还包括至少一个可收放的气垫，所述气垫设置于所述平流层飞艇的底部，正对于所述加劲环。

更优选地，所述气垫设置为多于4个，分散对称设置于所述平流层飞艇的底腹部。

更优选地，所述气垫在所述平流层飞艇巡航阶段收纳折叠，返航着陆离地面一定高度时，充气至设计压力。

进一步优选地，所述一定高度为1km。

本发明还公开了一种所述平流层飞艇的工作方法，所述平流层飞艇驻留在平流层：当所述外囊体内气压超过所述正压限值时，所述环控控制器控制所述外囊体通过所述空气阀门向外放气；当所述外囊体内气压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制高空鼓风机向所述外囊体内部充气。

本发明更公开了一种所述平流层飞艇的工作方法，所述平流层飞艇在返航降落时：在高于10km高度，所述环控控制器控制外囊体在设定的负压限值，开启高空鼓风机鼓气控制平流层飞艇的重量与降落速度；在低于10km高度，所述环控控制器控制外囊体在设定的较低正压限值，开启低空鼓风机鼓气控制平流层飞艇重量与降落速度。

技术效果：本发明公开了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，所述平流层飞艇包括由张拉整体主龙骨撑起的外囊体，和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体，所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环，及顺序连接各个加劲环中心的毂轴的两端后、通贯飞艇长度方向的多个中芯轴桁架，当所述平流层的温度或所述平流层飞艇的光照变化时，所述张拉整体主龙骨承受来自于外囊体的负压，使外囊体体积变化很小，故虽然所述外囊体内的气压随外界大气温度或光照而改变，但所述平流层飞艇仍可保持浮力及驻空高度，相对稳定地悬浮于平流层中。本发明的平流层飞艇，通过设置固定形状的张拉整体主龙骨，限制了所述外囊体的外形，基本保证了所述外囊体的体积及浮力稳定，并减少了复杂的控制***，降低了驻空需要的能量，故可实现长期驻空飞行，内部压力控制简单和姿态稳定、能耗低，升空和返航可控性优，为平流层飞艇走向工业化应用奠定基础。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的结构***上下方向剖视图；

图2是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的骨架结构立体图；

图3是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的加劲环结构示意图；

图4是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的环控***布置图；

图5是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的推进***布置图；

图6是本发明的平流层飞艇的一个较佳实施例的张弦次龙骨剖视图；

图中，101.张拉整体主龙骨、102.张弦次龙骨、103.外囊体、104.内囊体、105.尾翼、106.吊舱、107.气垫、10101.加劲环、10102中芯轴桁架、10103纵拉杆、1010101.三角形桁架、1010102.毂轴、1010103.径向拉杆、1010104.外环、10201.张弦外拉杆、10202.张弦内拉杆、10203.撑杆、201.高空鼓风机、202.低空鼓风机、203.空气阀门、204.氦气阀门、205.压差计、206环控控制器、301.侧推、302.尾推、401.太阳能电池板。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明公开了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，整体结构上下方向剖视图如图1所示，包括密封的外囊体103和设置于所述外囊体103内部的多个密封的内囊体104；所述外囊体103由柔性低透气率的薄膜材料包裹一张拉整体主龙骨101围成。所述柔性低透气率的薄膜材料，例如选为每平方米24小时仅渗气0.5升，并具有较高的比强度，质量轻而强度高。所述外囊体103内部充有空气。

所述张拉整体主龙骨101，具有一定的结构强度，构成所述平流层飞艇的骨架，故也反映了所述平流层飞艇的基本形状，基本防止了所述外囊体103因为外部大气压力的变化、或大气温度的变化、或因为太阳光照射加热、而过于塌陷或过于膨胀，即防止了所述平流层飞艇的体积变化过大，并因为体积变化而导致浮力改变，使得所述平流层飞艇在悬浮时升降幅度过大。

在所述外囊体103的内部，设置多个密封的内囊体104。所述内囊体104由超轻质低强度薄膜制成，充有氦气，以保持所述平流层飞艇足够的浮力。所述内囊体104的氦气阀门204开口于所述外囊体103的顶部。

所述张拉整体主龙骨101的具体结构如图2的内部骨架结构立体图所示，包括一组中芯轴桁架10102分别连接并排平行放置的一组加劲环10101，串成通贯所述平流层飞艇的前后长度方向的中心骨架。其中，所述中芯轴桁架10102为多段梭形三角形桁架，具有足够的力学强度。而所述内囊体104优选为环状包绕所述中芯轴桁架10102，以帮助实现所述平流层飞艇的左右平衡。

具体地，所述加劲环10101的具体结构如图3所示，包括外周处用于支撑起所述外囊体103的外环1010104，以及固定在中心处的毂轴1010102。所述外环1010104包括通过三角形桁架1010101连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架1010101包括向外抵触并撑开所述外囊体103的两个外弦节点和内侧远离所述外囊体103的内弦节点；两根径向拉杆1010103，一端共同连接于所述内弦节点，另一端分开连接至所述毂轴1010102的两端。

即，所述三角形桁架1010101的三个顶点中，两个外弦节点分别通过所述纵拉杆10203与相邻的三角形桁架1010101的外弦节点对应连接，构成所述平流层飞艇的外周骨架，承受来自于所述外囊体103的力，主要是压力。而内弦节点则通过对应的两根所述径向拉杆1010103以三角形状连接至所述毂轴1010102的两端，从而构成一个稳定的应力平衡体系，确保在来自于所述外囊体103的压力或拉力下，仍然保持稳定，而不会导致失稳破坏。

在中心处，所述中芯轴桁架10102，就顺序连接两个相邻的所述加劲环10101上的所述毂轴1010102的两个端点，从而相互串联结成一个稳定的中心轴，配合各个加劲环10101，就构成了所述平流层飞艇的内部骨架，所述外囊体103就蒙于各个所述加劲环10101上，被撑开为飞艇形状。

因此，通过所述内部骨架，所述外囊体103施加于所述平流层飞艇的外环1010104上的力，就被分散开，并传导至所述内部骨架的各处，均匀承受，从而增加了所述平流层飞艇的机构强度。

在一个更佳的实施例中，如图2所示，相邻两个所述加劲环10101还由一组垂直于环向散开分布的纵拉杆10103相互连接，所述纵拉杆10203固定连接相邻两个加劲环10101上的、正对相邻的一对外弦节点，从而更准确地形成所述平流层飞艇的骨架，进一步支撑起所述外囊体103。

当所述平流层温度下降时，或者没有太阳直射时，例如在夜间，所述外囊体103内部的空气温度也下降，内部的空气压力降低，但因为被所述内部骨架限制，故所述平流层飞艇的外形变化不大，因此浮力变化不大。但这将导致所述平流层飞艇内部的气压降低更多，低于外部大气压力，形成负压，所述负压迫使所述外囊体103吸附压迫所述加劲环10101，乃至所述张拉整体主龙骨101，包括压迫在所述张拉整体主龙骨101的三角形桁架1010101的两个端部、和各个加劲环10101的外环1010104上。而当所述负压过大时，就可能导致失稳乃至损坏所述平流层飞艇。故如图4所示，在一个更佳的实施例中，所述平流层飞艇还设置有用于调节所述外囊体103内部气压的环控***，以维持所述外囊体内的气压在设定的负压限值和设定的正压限值之间；其中，所述负压限值的设定值不超过所述张拉整体主龙骨的抗压极限所对应的负压值，所述正压限值不超过所述外囊体103的抗拉极限所对应的正压值。所述环控***具体可以为：设置一环控控制器206，在所述外囊体103的内外压差下，分别控制开闭设置于所述外囊体103底部的一组常闭的空气阀门和安装在所述外囊体103上的一组鼓风机，以调节所述外囊体103内外的气压平衡。具体地，当所述外囊体103内正压高于所述正压限值时，所述环控控制器控制打开所述空气阀门，在所述外囊体103内的正压驱动下，所述外囊体103向外排气，降低内部气压；而所述鼓风机的吹风口设有常闭的止回叶片，当所述外囊体103内的负压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制所述鼓风机工作，吹风打开所述止回叶片，向所述外囊体103的内部充气，减少所述外囊体103内部的负压。通过所述环控控制器206的调节，恢复所述外囊体103内部的气压与外界大气压力的平衡，以保证所述平流层飞艇的飞行安全。

具体地，在一个实施例中，所述鼓风机，具体包括高空鼓风机201和低空鼓风机202，根据所述平流层飞艇的悬浮高度，由所述环控控制器206控制工作，向所述外囊体103内部充入空气，以维持所述外囊体103内外的气压平衡。

当所述平流层温度上升时，或者白天太阳光直射在所述平流层飞艇上时，所述外囊体103内部的空气温度上升，导致内部的空气压力增加，高于外部大气压，形成正压。但因为被所述外囊体103的形状所限制，故将导致所述外囊体103的内部拉力增加，若所述内部拉力超过所述外囊体103的抗拉伸极限，就会导致外囊体103破裂而产生危险。此时，设定一个高压限值，当所述外囊体103内部的正压超过所述高压限值，就由所述环控控制器206控制，从所述外囊体103经过空气阀门203向外排出部分空气，以降低所述正压，从而保证所述平流层飞艇的安全驻空。当然，所述高压限值的设定值也不能超过所述外囊体103的抗拉伸极限所对应的正压值。

具体地，所述的平流层飞艇的工作方法包括：

在平流层驻留阶段，通常当所述外囊体103内气压变化、但仍然介于所述负压限值和所述正压限值之间时，就不需要任何压力控制，不消耗任何能量或物质，所述平流层飞艇即可保持安全驻空。而仅当所述外囊体103内气压低于所述负压限值时，例如夜晚，大气温度较低，所述环控控制器206才启动所述高空鼓风机201工作、以向所述外囊体103内部充气；又当所述外囊体103内气压超过所述正压限值时，例如，白天时间，大气温度较高，或阳光直射所述外囊体3，所述环控控制器206控制所述外囊体103通过所述空气阀门203向外放出部分空气。

而在返航降落阶段，在高空平流层，所述环控控制器206首先开启高空鼓风机201向所述外囊体103内充气，以增加所述平流层飞艇的重量，在所述平流层飞艇的体积变化很小的情况下，重量增加，则所述平流层飞艇将缓慢下降，随着高度降低，外部温度下降，所述外气囊103内的气压也下降，故充气也帮助保持了所述外气囊103内部的气压。所述平流层飞艇下降的速度可以通过控制所述高空鼓风机201鼓入所述外囊体103中的空气量，即控制所述平流层飞艇的重量，来控制。

当降落到低于10km高度后，因为外部大气的温度随着高度降低而上升，故所述外囊体103内将转为正压，即所述外囊体103内部的气压将高于外部大气压。此时，当所述正压高于一设定的正压限值，所述环控控制器206控制所述空气阀门203打开，排出一定的空气，以维持所述外囊体103内外的气压平衡，并因此而降低了所述平流层飞艇的重量。并且，在设定的较低正压限值，所述环控控制器206控制外囊体103开启低空鼓风机202向所述外囊体103内部充气，增加所述平流层飞艇的重量。从而通过调节所述外囊体103内空气的重量，就可以控制所述平流层飞艇的降落速度。

为了保证机动飞行能力，所述平流层飞艇上还设置了用于机动所述平流层飞艇的推进***，具体如图5所示，所述推进***包括至少一个尾推302、及控制所述尾推302工作的推进控制器。所述尾推302固定于所述平流层飞艇的尾部区域的外囊体103的外表面上，尤其是与所述中芯轴桁架10102的端部相正对，具有最长的力臂，可产生最大的力矩，因此只需要采用较小功率的尾推302，即可很方便地改变所述平流层飞艇的俯仰飞行状态及帮助所述平流层飞艇转向。在一个更佳的实施例中，为了增加所述平流层飞艇的转向能力，还可以设置至少一个也由所述推进控制器控制工作的侧推301，各个侧推301左右对称地固定于外囊体103的外表面上，位于所述外囊体103的头部或中部位置，并正对所述外环1010104。所述侧推301用于协助改变所述平流层飞艇的水平机动方向。在一个更佳的实施例中，所述侧推还可以采用矢量控制技术，从而进一步辅助俯仰和转向控制。考虑到所述平流层飞艇的工作环境，所述尾推302和所述侧推301优先采用高空电机驱动高空桨的技术方案。

在一个更佳的实施例中，为了保证所述平流层飞艇的滞空时间足够长，所述平流层飞艇还携带能源***，例如可再生能源，尤其是太阳能电池***。其中，如图5所示，太阳能电池板401覆盖于所述外气囊103上，至少覆盖上表面，以正对太阳。所获得的电能则通过导线送到蓄电池中存储，并由所述蓄电池供电所述环控***和所述推进***工作。采用太阳能电池的可再生能源***和蓄电池的技术方案，白天接受光照而充电，所述蓄电池不但提供了白天所述平流层飞艇需要的电力，还可以供给夜间需要的电力，可实现昼夜能量循环，故更可以大大延长所述平流层飞艇的持续滞空工作时间。

如图2所示，所述平流层飞艇的下方，悬挂一吊舱106，所述蓄电池则可以放置于所述吊舱106中。所述吊舱106优选为连接在某一个加劲环10101的下方。

并且，更佳地，如图2所示，所述尾部区域还设置有尾翼105，例如采用两对四个无舵面的充气尾翼，呈X形布局，正对分开设置于所述外囊体103在尾部区域的相对的两侧外表面上，从而帮助稳定所述平流层飞艇的飞行姿态。

在一个更佳的实施例中，在所述平流层飞艇的飞艇头部区域，还设置了强化结构，具体为：在头部区域的相邻两个加劲环10101上，设置张弦次龙骨102，以连接相邻两个所述加劲环10101上的相互正对的一对外弦节点，从而增加头部对内外气压变化的抵抗能力。

具体如图6所示，所述张弦次龙骨102包括由至少一个空腹形的撑杆10203撑开的张弦外拉杆10201和张弦内拉杆10202，所述张弦外拉杆10201和所述张弦内拉杆10202配合成为鱼腹型，即具有一定的弧度，从而增加对外来压力或拉力的抵抗能力。所述张弦外拉杆10201贴合于所述外囊体103的内表面，即两者的弯度、线形一致。并且，所述张弦内拉杆10202可与所述张弦外拉杆10201相互对称或不对称设置。所述撑杆10203的数量根据所述张弦次龙骨102的节段长度设定，应至少设置平行的3根，以充分保证所述张弦内拉杆10202与所述张弦外拉杆10201之间，维持弓形张开。

并且，同一对外弦节点上连接的所述纵拉杆10103则依次穿过各个所述撑杆10203，即夹合于所述张弦外拉杆10201和所述张弦内拉杆10202之间。从而保证头部受力由所述张弦次龙骨102承担主要部分，以保证所述平流层飞艇的结构强度。

考虑到所述平流层飞艇要返回地面，为防止硬着陆，在所述平流层飞艇的底部，正对于所述加劲环10101的位置，如图1所示，设置可充气收放的气垫107。气垫107也优先设置于所述加劲环10101的底部正对的外囊体103上，并考虑到所述平流层飞艇的巨大长度，故所述气垫107设置为至少4个，分散并对称设置于所述外囊体103的底腹部。

而为了保证所述平流层飞艇的气动性能，所述气垫107在飞艇巡航阶段收纳折叠，返航着陆时，当离地面1km高，才充气至设计压力。

综上所述，本发明公开了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，所述平流层飞艇包括由张拉整体主龙骨101撑起的外囊体103，和设置于所述外囊体103内部的多个密封的内囊体104，所述张拉整体主龙骨101包括多个并排放置的加劲环10101，及顺序连接各个加劲环10101中心的毂轴1010102的两端后、通贯飞艇长度方向的多个中芯轴桁架10102，当所述平流层的温度或所述平流层飞艇的光照变化时，所述张拉整体主龙骨101承受来自于外囊体103的负压，使外囊体103的体积变化很小，故虽然所述外囊体103内的气压随外界大气温度或光照而改变，但所述平流层飞艇可保持浮力及驻空高度，相对稳定地悬浮于平流层中。本发明的平流层飞艇，通过设置固定形状的张拉整体主龙骨101，限制了所述外囊体103的外形，基本保证了所述外囊体103的体积及浮力稳定，并减少了复杂的控制***，降低了驻空需要的能量，故可实现长期驻空飞行，内部压力控制简单和姿态稳定、能耗低，升空和返航可控性优，为平流层飞艇走向工业化应用奠定了基础。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，其特征在于，包括密封的外囊体和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体；

所述外囊体由柔性低透气率的薄膜材料包裹一刚性的张拉整体主龙骨围成，所述外囊体内充有空气；

所述内囊体由超轻质低强度薄膜制成，所述内囊体内充有氦气，所述内囊体在所述外囊体顶部设有氦气阀门；

所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环及一组中芯轴桁架，所述中芯轴桁架顺序连接固定在各个加劲环的中心的毂轴的两端，连接后通贯所述平流层飞艇的长度方向；

所述加劲环包括用于支撑起所述外囊体的外环，所述外环包括由沿周向分开设置的一组三角形桁架连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架包括向外抵触并撑开两根所述子环的两个外弦节点和远离所述外囊体的一个内弦节点；所述内弦节点通过两根径向拉杆，分开连接所述毂轴的两端；

所述平流层飞艇还包括环控***，所述环控***用于调节所述外囊体内部气压，以维持所述外囊体内的气压在设定的负压限值和设定的正压限值之间；

所述平流层飞艇还包括张弦次龙骨，所述张弦次龙骨设置于所述飞艇头部区域的相邻两个所述加劲环上，连接所述相邻两个加劲环上的相互正对的一对外弦节点，所述张弦次龙骨包括由至少一个空腹形的撑杆撑开的张弦外拉杆和张弦内拉杆，所述张弦外拉杆和所述张弦内拉杆对称或不对称设置，所述张弦外拉杆和所述张弦内拉杆配合成为鱼腹型，所述张弦外拉杆贴合于所述外囊体的内表面上。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，所述环控***包括环控控制器，在内外压差下，分别控制开闭设置于所述外囊体底部的一组常闭的空气阀门和安装在所述外囊体上的一组鼓风机；

当所述外囊体内正压高于所述正压限值时，所述环控控制器控制打开所述空气阀门，在正压下向外排气；

所述鼓风机的吹风口设有常闭的止回叶片，当所述外囊体内负压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制所述鼓风机工作，吹风打开所述止回叶片，向所述外囊体的内部充气，减少负压；

所述负压限值不超过所述张拉整体主龙骨的抗压极限所对应的负压值，所述正压限值不超过所述外囊体的抗拉极限所对应的正压值；

所述外囊体内的气压高于所述外囊体外大气压时为正压，所述外囊体内的气压低于所述外囊体外大气压时为负压。

3.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括用于机动所述平流层飞艇的推进***，所述推进***包括至少一个由推进控制器控制的尾推；所述尾推固定于所述平流层飞艇的尾部区域的外囊体的外表面上，正对所述中芯轴桁架的端部。

4.根据权利要求3所述的平流层飞艇，其特征在于，所述推进***还包括至少一个由所述推进控制器控制的侧推，所述侧推左右对称地固定于所述外囊体的外表面上，正对所述外环。

5.根据权利要求2-4任一所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括用于提供能量的能源***、和用于放置承载物的吊舱；所述能源***包括覆盖所述平流层飞艇的至少部分上表面的太阳能采集板，所述太阳能采集板电连接一用于供电所述平流层飞艇的蓄电池，所述蓄电池放置于所述吊舱中。

6.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，相邻两个所述加劲环由一组垂直于环向散开的纵拉杆相互连接，所述纵拉杆固定连接相邻两个加劲环上、正对相邻的一对外弦节点。

7.根据权利要求6所述的平流层飞艇，其特征在于，所述一对外弦节点上连接的所述纵拉杆依次穿过所述撑杆。

8.根据权利要求7所述的平流层飞艇，其特征在于，所述撑杆的数量根据所述张弦次龙骨的节段长度设定，不少于3根。

9.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，所述外囊体在尾部区域的相对的两侧外表面上，还正对分开设置至少两对尾翼，所述尾翼为充气尾翼，四个尾翼呈X形布局。

10.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括至少一个可收放的气垫，所述气垫设置于所述平流层飞艇的底部，正对于所述加劲环。

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