CN1199818C

CN1199818C - 薄膜结构

Info

Publication number: CN1199818C
Application number: CNB021559651A
Authority: CN
Inventors: 矢岛信之; 井筒直树; 本田秀之
Original assignee: DIRECTOR-GENERAL OF INSTITUTE OF SPACE AND ASTRONAUTICAL SCIENCE
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: US20030111577A1; DE60206724D1; US6983910B2; DE60206724T2; EP1319593B1; RU2238375C2; EP1319593A3; EP1319593A2; CN1425590A; JP2003175895A

Abstract

一薄膜结构包括不透气的、抗压气囊(1)和形状保持机构，形状保持机构在气囊(1)处于完全膨胀状态时将气囊(1)维持在预定形状。气囊(1)包括多个纺锤形的外部部分(2)，外部部分由不透气的薄膜材料构成，相邻外部部分(2)之间在边缘处结合；多个加固绳(3)，加固绳固定在边缘的结合处，并分别沿边缘延伸。每个外部部分(2)在气囊(1)处于完全膨胀状态时，分别从相邻的沿外部部分(2)边缘延伸的加固绳(3)之间向外突出，而不使透气薄膜材料不被拉长。

Description

薄膜结构

技术领域

本发明涉及一种薄膜结构，尤其涉及一种用于飞艇或建在地面上的薄膜结构。

背景技术

通常，选用由薄膜材料制成的气囊的非刚性飞艇通过增加薄膜材料的强度代替由硬材料例如轻金属制成的外壳以降低飞艇的重量。但如果飞艇飞行到高空，作用在薄膜材料上的压力会非常大，气囊承受很大的张力。由于薄膜材料必须具有抵抗这种大张力的强度，所以难于减轻气囊的重量，因此不容易减轻薄膜结构的重量。

作为建在地面上的薄膜结构，已知薄膜结构的形状是通过薄膜结构内部加压来维持。这种薄膜结构常用于展览场或娱乐场上的简单建筑物。也用于大型建筑物例如全天候棒球或足球场的屋顶。在这样的结构中，薄膜结构将承受很大的张力，来克服薄膜自身重量和其它受力例如风力，保持薄膜结构的形状。因此建于地面上的薄膜结构必须是不易破裂的弹性薄膜。

另外，已经研究过在预定位置安装用于在高度例如为20到40千米的平流层中进行科学观测和通讯的观测设备或通讯设备的飞行物。超压气球是已知用于这样目的的一种薄膜结构。超压气球有一抵抗内部压力的气囊。既使在气球达到最大体积时，用于产生浮力的气体也不会被排出。气球在保持内部气体压力不变的情况下连续上升。由于空气密度降低，气球所受浮力减小。气球将在预定高度上水平飞行。

由于超压气球呈扁平球形，空气阻力很大。因此在气流的影响下超压气球不能保持在预定位置。

发明内容

本发明提出一种薄膜结构，包括不透气的、抗压气囊，气囊包括多个由不透气薄膜材料制成的纺锤形外部部分，相邻外部部分在边缘处结合在一起；以及连接到边缘的结合处上的多个加固绳，加固绳分别沿边缘延伸；

每个外部部分在气囊处于完全膨胀状态时，分别在沿外部部分边缘延伸的两个相邻加固绳之间向外突出，而不会使不透气薄膜材料拉伸；

每个突出的外部部分在两相邻加固绳相交方向上有一曲率半径，该曲率半径小于气囊的半径；

每个突出的外部部分承受沿两相邻加固绳相交方向的张力；

在气囊处于完全膨胀状态时，每个外部部分的宽度大于连接到外部部分上的两相邻加固绳之间的距离；

每个外部部分的长度大于连接到外部部分上的每个加固绳的长度；

通过使外部部分打褶，每个外部部分被缩短，使得缩短的外部部分的每个边缘的长度等于连接到缩短的外部部分上的每个加固绳的长度；以及

加固绳连接到外部部分上，同时保持外部部分折褶；

所述薄膜结构的特征在于：

薄膜结构包括形状保持机构，形状保持机构在气囊处于完全膨胀状态时将气囊维持在预定形状；

每个加固绳包括承压部，承压部位于加固绳连接着的外部部分的端部；以及

形状保持机构包括加压部件，加压部件向着气囊的外侧加压承压部以使气囊拉成细长，而不会使薄膜材料拉伸。

本发明其它的目的和优点将会在下面的描述中提出，其中部分地可以明显地从描述或发明实践中获得。本发明的目的和优点尤其可以通过下文提出的手段和组合方式获得和掌握。

附图说明

附图与说明书结合表示出本发明的实施例，并构成说明书的一部分。通过上述总的描述和以下结合附图的实施例的详细描述可以解释本发明的宗旨。

附图1是第一实施例中薄膜结构的侧示图；

附图2是一获得欧拉弹性曲线气囊的剖面示意图；

附图3是欧拉弹性曲线纵向剖面的曲线图，通过数值计算法获得；

附图4分别是安有横梁的气囊的剖面曲线图；

附图5是改进第一实施例中薄膜结构的侧示图；

附图6是第二实施例中薄膜结构的侧示图；

附图7是第二实施例中气囊受力平衡的剖面示意图；

附图8是第二实施例中气囊的剖面曲线图，通过数值计算法获得；

附图9是第三实施例中薄膜结构的透视图；

附图10是第三实施例中气囊的剖面曲线图，通过数值计算法获得；

附图11是用于地面建筑物的薄膜结构的透视图。

具体实施方式

第一个实施例中的薄膜结构适用于飞船。附图1是薄膜结构的侧视图，气囊1内充有用来产生浮力的气体，例如氦气。充气后气体不排出，以保持气囊1中的内部压力。推动器、为推动器提供能源的太阳能电池、以及例如观测设备的仪表装置(未示出)安装到气囊1上。

气囊1有多个纺锤形的外部部分2。将气囊1平分为N份而获得每个外部部分2的形状，外部部分2由不透气的薄膜材料例如重量轻、结实的纺织品或塑料薄膜构成。相邻的外部部分2在边缘处结合。相邻的外部部分2在边缘处通过缝合或粘合方式结合。高强度加固绳3连接到边缘结合部处并沿边缘延伸。高强度加固绳3通过缝合或粘合连接，用来提高外部部分2之间的结合强度并使气囊1保持预定形状。在气囊1处于完全膨胀状态时，每个外部部分2分别在沿外部部分2边缘延伸的两个相邻加固绳3之间向外突出，同时构成外部部分2的不透气薄膜材料不会伸展。这里使用的术语“完全膨胀状态”是指这样一种状态，在该状态下，薄膜材料任意位置的内部/外部压力差ΔP(＝内部压力-外部压力)等于0或0以上，在保持气囊1上的内部压力、外部压力、以及张力平衡时给气囊1充气。

薄膜结构包括一形状保持机构，它在气囊1处于完全膨胀状态时保持气囊1的预定形状。在该实施例中，形状保持机构具有一加压部件(pressmember)。每个加固绳3包括一承压部(press portions)，位于加固绳3连接的外部部分2的端部。加压部件从气囊1的内部向气囊1的外部加压承压部分，将气囊1拉成细长，同时不引起构成外部部分2的薄膜材料延长。加压部件包括一安装在气囊1内、在每个外部部分2端部之间延伸的横梁4。即，横梁4在气囊1的两端部1a和1b之间延伸。横梁4沿着外部部分2纵向限定气囊1的长度，即气囊1两端部1a和1b之间的长度。代替横梁4，加压部件可以包括一安装在半刚性飞艇中的龙骨。

下面将描述完全膨胀状态下的气囊1的形状。为了便于描述，先描述没有安装横梁4和加固绳3时气囊1的形状。当气囊1的内部/外部压力差ΔP足够大时，气囊1的形状与一被称作欧拉弹性曲线的形状相似。该形状是沿中心对称的，诸如一从左右两边加压的球体。同时加压气囊1的两端1a和1b获得气囊1的形状。当气囊1为欧拉弹性曲线形状时，只要经线的长度为常数(条件1)，纬度(圆周)长度可根据需要自由地增加(条件2)，就可获得最大体积，即最大浮力。将通过气囊1端部1a和1b的轴线设为地轴，那么条件2意味着在气囊1上沿经线方向将产生折痕。因此，没有张力沿着纬度方向起作用。由压差ΔP引起的气囊1上的张力沿经线方向作用。当压差ΔP足够大时，构成气囊1的薄膜材料的重量和浮力将对气囊1的形状影响会很小。

欧拉弹性曲线形状可通过下面方式获得。附图2是气囊1的剖面示意图。在附图1中，穿过气囊1端部1a和1b的轴线左右取向。在附图2中，该轴线平行于Y轴。

气囊1的形状是中心对称的。设想从对称面或赤道面观看到的北极侧的形状，即北半球的形状。设X₀为赤道半径。由于张力只作用在经线方向，所以沿赤道的张力总和Fm是赤道线包围的扇形区S和压差ΔP的乘积。

Fm＝S·ΔP (1)

气囊1赤道线上的张力T₀和任一点(X，Y)上的张力T分别由下式(2)和(3)表示

T₀＝Fm/(2πX₀) (2)

T＝Fm/(2πX)＝X₀ ²·ΔP/(2·X) (3)

气囊1的曲度半径由下式给出：

dL/dθm＝T/ΔP (4)

这里L指经线的长度，dL是指经线上无穷小部分的长度，θm指dL的倾斜角度。

通过数值计算方法解微分方程式(4)。依次确定从赤道线开始的每个dL形状。这里，给出初始条件，赤道线上的张力平行于Y轴，大小等于T₀。附图3是通过数值计算方法求得的欧拉弹性曲线的纵面曲线图。在该实施例中，仪表装置连接到薄膜结构上。因此气囊1的形状稍稍偏离对称形状。实际上可忽略该偏差。

如果在上述条件下安装横梁4，在欧拉弹性曲线形状的基础上通过下述方式可获得气囊1的形状。形状满足修正方程式(4)：

dL/dθm＝T′/ΔP (4)

这里假定修正方程式(4)中的气囊1上的张力T′平行于Y轴，且小于欧拉弹性曲线条件下的张力T。

T′＝T+dT (dT＜0) (5)

利用方程式(5)，通过解方程式(4)获得装有横梁4的气囊1的形状。

附图4显示了安装横梁4后气囊1的剖面曲线图，它是通过解方程式(4)获得。气囊1的两端部1a和1b(附图1)布置在附图4中的上下侧。曲线E代表欧拉弹性曲线。附图4表示赤道线半径为X₀时三种典型形状的曲线。如附图4所示，通过改变参数例如赤道线半径X₀和横梁4的长度可获得许多不同的形状。该实施例中的薄膜结构形状有很高的自由度。设θ为气囊1端部的垂直方向的角度，即曲线与Y轴相交的角度，作用于横梁4的压力FC可由下式给出：

FC＝2πX₀·T′·cosθ (6)

如附图4所示的气囊1在加入加固绳3后的形状将在下面描述。当气囊1具有如附图4所示的形状时，将气囊1的形状平分为N份获得纺锤形状的外部部分2。在该实施例中，外部部分2的形状可使其在不延伸构成外部部分2的薄膜材料的情况下以小曲率突出。且外部部分2在纵向上的尺寸足够大。

为了获得具有加固绳3后外部部分2的形状，外部部分2的尺寸要大于附图4中外部部分的尺寸。更详细地说，当气囊1处于完全膨胀状态时，每个外部部分2的宽度要比连接到外部部分2上的相邻加固绳3之间的距离大得多。每个外部部分2的长度要比连接到外部部分2上的加固绳3的长度长。外部部分2边缘的长度大于每个加固绳3的长度。加固绳3连接到外部部分2上，使外部部分2保持折褶。而折褶使外部部分2缩短，缩短后的外部部分2的边缘长度与连接到缩短后的外部部分2上的加固绳3的长度相等。

因此，每个外部部分2在不引起薄膜材料延伸的情况下突出。当突出的外部部分2处于预定形状时，几乎可以忽略外部部分2纵向方向上的张力。更详细地说，外部部分2上的张力沿两个相邻加固绳3相交的方向。外部部分2宽度方向上的张力作用在与外部部分2连接的加固绳3上，这样加固绳3被向外拉。因此，作用到外部部分2上的张力由加固绳3支承。

每个突出的外部部分2在连接到外部部分2上的两相邻加固绳3的相交方向上有一曲率半径。该曲率半径要比气囊1的半径小得多。普通的飞艇的外部部分不突出，船体半径大约10-30米。气囊1的半径几乎与之相等。突出的外部部分2的曲率半径大约为1米。气囊1所承受的张力随外部部分2的曲率半径与气囊1的半径比值的减小而减小。由于张力减小，薄膜结构的抗压能力增加。

可以在不考虑薄膜结构大小的情况下减小外部部分2的曲率半径。这意味着薄膜结构的抗压能力不取决于薄膜结构的体积。因此该实施例中薄膜结构的强度不取决于尺寸大小。另外，形状自由度很大，如附图4中所述。该实施例中的薄膜结构对低空气阻力的飞艇尤其有效。

硬壳5可安装在气囊1的一端。附图5是具有硬壳5的薄膜结构的侧视图。外壳5大致呈穹顶状。外部部分2和加固绳3的端部固定在对应穹顶状外壳5的底部位置。横梁4在气囊1的端部1b和外壳5的顶点位置之间延伸。

外部部分2在端部1b与外壳5底部之间的形状与附图1中所示的外部部分2的形状相同。外部部分2的表面与外壳5的表面平滑连接。外壳5的顶点处有一平滑弯曲表面。在这种结构下，飞艇沿外壳5侧的气流逆向行驶，气体平移更少。因此气阻被减小。

第二实施例中的薄膜结构也适用于飞艇。附图6是薄膜结构的侧视图。与第一实施例相同，气囊10包括多个具有尖端的外部部分20。通过将气囊10平分成N份获得外部部分20的形状。相邻外部部分20在边缘处连接。构成外部部分20的材料与第一实施例中使用的薄膜材料相同。加固绳30固定在外部部分20的连接线上。在该实施例中，形状保持机构包括至少一个环绕件6。环绕件6环绕气囊10延伸与加固绳30相交。环绕件6呈环状，垂直于加固绳30。抵抗高张力的绳、带或硬环可用作环绕件6。环绕件6与加固绳30之间的夹角不限制在90°。环绕件6环绕的气囊10的部分可呈圆形状或椭圆状。环绕件6也可呈螺旋式环绕气囊10。

当气囊10处于完全膨胀状态时，环绕件6使气囊10的被环绕部分变狭窄。在附图6中形成有两个狭窄部。但狭窄部的数量可以是一个、三个或更多。气囊10被狭窄部分为三部分。这三部分被定义为膨胀区11、12和13。每个外部部分20在加固绳30之间向外突出，同时不引起薄膜材料的拉长。

气囊10具有下述形状。首先描述在不使用加固绳30且外部部分20不突出时的情形。外部部分20的宽度(在垂直于纵向的方向上的长度)足够大。这样气囊10上平行于环绕件6的环形路径要比绕着环绕件6距离长得多。绕着气囊10的环形路径不靠近外部部分20的两端。这样位于两侧的膨胀区11和13为欧拉弹性曲线形状。理由同第一实施例中的解释。

气囊10位于狭窄区两侧的部分是互相对称的。更详细地说，是相对于环绕件6所环绕的平面对称。参见如下描述。附图7是气囊10的剖示图，示出气囊10所受张力的平衡。为了简化只描述两个膨胀区15和16。在附图6中，膨胀区11、12和13左右布置。在附图7中，膨胀区15和16纵向排列。Y轴通过环形环绕件6的中心，垂直于环绕件6的环绕面。X轴垂直于Y轴。如上面所述，由于气囊10上的、平行于环绕件6的环形路径要比绕着环绕件6的距离长得多，所以膨胀区15和16为欧拉弹性曲线形状，呈从Y轴正负轴方向挤压时的一球体形状。

下面描述环绕件6上P1点处的受力平衡。张力T1和T2在P1点处分别作用在膨胀区15和16上。张力T1和T2的Y轴分量Ty1和Ty2大小相等，方向相反，互相抵减。张力T1和T2的X轴分量Tx1和Tx2的总和与环绕件6施加的压力平衡。结果张力T1和T2相对于平行于X轴、通过P1点的直线对称。当给出的微分方程式(4)

dL/dθm＝T/ΔP (4)

通过数值计算法连续地求出从环绕件6到Y轴的正负方向的解，可获得膨胀区15和16的形状。由于膨胀区15和16在环绕件6上的初始条件相同，所以膨胀区15和16相对于环绕件6的环绕面成面对称。

设定Rb为环绕件6的半径(Y轴和P1点间的距离)，如果另一个半径为Rb的环绕件环绕膨胀区15的另一位置(如附图7中的P2点)，且该位置的半径(Y轴和外部部分间的距离)等于Rb，将又获得与P1、P2点间的膨胀区形状相同的另一膨胀区。膨胀区15位于得到的另一膨胀区和膨胀区16之间。这里假设将对应于另一膨胀区的薄膜材料加入到外部部分20中。当增加更多半径为Rb的环绕件时，将获得多个形状相同(除两端的充气区以外)、沿线连接的膨胀区。附图8是气囊10的剖面曲线图，可通过数值计算法求得。X、Y轴的设定同附图7。如上所述，当使用环绕件时，形成一长形薄膜结构。如果将薄膜结构用于飞艇，它将比没有环绕件的薄膜结构更适用于飞船。

在附图8中，使用了半径相同的环绕件，但也可使用半径不同的环绕件，产生不同的形状。在二者任一方式下，气囊10相对于环绕件的环绕面成面对称。对于附图7或8中的气囊10，一边为Y轴的半平面将其平分为N份获得每个外部部分的形状。在具有加固绳30的薄膜结构中，每个外部部分在相邻加固绳之间以小曲率半径向外突出，同时不引起薄膜材料的拉长。

该实施例中的外部部分20的尺寸要比附图7或8中的大。同第一实施例一样，加固绳30固定到外部部分20上，并在外部部分20上形成折褶。外部部分20具有的形状可使其在纵向上的张力近似为零。在膨胀区11、12和13上延伸的加固绳30符合欧拉弹性曲线。

该实施例中的薄膜结构有许多优点。环绕件的使用提高了形状的自由度。另外，由于外部部分20以小曲率半径突出而不拉长薄膜材料，所以薄膜结构更不易破裂。

第三实施例的薄膜结构中的形状保持机构包括环绕件6和一将气囊10拉细长的加压部件。附图9是薄膜结构的透视图。环绕件6环绕气囊10分出多个膨胀区11、12、13和14。用作加压部件的横梁40连接到外部部分20的两端即气囊10的两端10a和10b上。

膨胀区11、12、13和14各自相对于环绕件6的环绕面成面对称，每个膨胀区的形状与附图1所示的实施例中气囊1的部分形状相同。通过对第一和第二实施例的描述可得出上述结论。附图10是该实施例中气囊10的剖面曲线示意图，通过数值计算法获得。X、Y轴的设定同附图8。所示曲线C10和C20表示两个典型剖面。曲线C8与附图8中的剖面曲线相同，曲线C8、C10和C20具有相同数量的狭窄区。

同第一和第二实施例一样，外部部分在相邻加固绳30之间以小曲率曲线向外突出，薄膜材料不拉长。

在该实施例中，气囊10形状的自由度尤其地高。气囊可比第二实施例中的气囊大。

第一至第三实施例中的薄膜结构也可适用于由结构内部压力来维持形状的薄膜结构，例如大型建筑物，象全天候的棒球或足球场。附图11是用于建筑物的薄膜结构的透视图。该薄膜结构基本上与实施例1中的相同。附图1中的附图标记与该实施例中的附图标记指示相同，这里不再详细描述。

该薄膜结构包括实施例1中的气囊1(附图1)的一部分。更详细地说，使用了气囊1的端部1a和中部之间的部分。附图11中所示的外部部分2是实施例1中的一半，包括实施例1中外部部分2在一个端部和中部之间的部分。附图11中外部部分2对应于其在实施例1中的中部的区域固定在刚性材料制成的基座7上。密封该固定区域，保持气囊1内的内部压力。附图11中的薄膜结构包括与实施例1中用来保持形状的横梁4相同的部件。附图11中所示的外部部分2以小曲率半径向外突出，构成外部部分2的薄膜材料不拉长。

在参照附图11的该实施例中，使用了第一实施例中气囊1的一半，沿气囊1的端部1a向中部延伸。代替使用该一半，可使用气囊1的端部1a到中部与另一端部1b之间任一位置间的部分。也可选择使用第二或第三实施例中薄膜结构的一部分。

在通常的薄膜结构中，为了克服薄膜自身重量和风力保持结构形状，内部压力相对很高，作用到薄膜上的张力很大。对于附图11中的例子，由于薄膜具有小曲率半径突出的部分，所以薄膜不易破裂。另外，结构形状的自由度很高。

对本领域技术人员来说，可以想到更多的优点和变化。因此本发明可用于更广的方面，不仅仅限于这里的描述和代表性实施例。从而，在不脱离后述的权利要求和其等效内容限定出的本发明的精神或范围的情况下可作各种变动。

Claims

1、一种薄膜结构，包括不透气的、抗压气囊(1，10)，气囊包括多个由不透气薄膜材料制成的纺锤形外部部分(2，20)，相邻外部部分(2，20)在边缘处结合在一起；以及连接到边缘的结合处上的多个加固绳(3，30)，加固绳(3，30)分别沿边缘延伸；

每个外部部分(2，20)在气囊(1，10)处于完全膨胀状态时，分别在沿外部部分(2，20)边缘延伸的两个相邻加固绳(3，30)之间向外突出，而不会使不透气薄膜材料拉伸；

每个突出的外部部分(2，20)在两相邻加固绳(3，30)相交方向上有一曲率半径，该曲率半径小于气囊(1，10)的半径；

每个突出的外部部分(2，20)承受沿两相邻加固绳(3，30)相交方向的张力；

在气囊(1，10)处于完全膨胀状态时，每个外部部分(2，20)的宽度大于连接到外部部分(2，20)上的两相邻加固绳(3，30)之间的距离；

每个外部部分(2，20)的长度大于连接到外部部分(2，20)上的每个加固绳(3，30)的长度；

通过使外部部分(2，20)打褶，每个外部部分(2，20)被缩短，使得缩短的外部部分(2，20)的每个边缘的长度等于连接到缩短的外部部分(2，20)上的每个加固绳(3，30)的长度；以及

加固绳(3，30)连接到外部部分(2，20)上，同时保持外部部分(2，20)折褶；

所述薄膜结构的特征在于：

薄膜结构包括形状保持机构，形状保持机构在气囊(1，10)处于完全膨胀状态时将气囊(1，10)维持在预定形状；

每个加固绳(3，30)包括承压部，承压部位于加固绳(3，30)连接着的外部部分(2，20)的端部；以及

形状保持机构包括加压部件，加压部件向着气囊(1，10)的外侧加压承压部以使气囊(1，10)拉成细长，而不会使薄膜材料拉伸。

2、如权利要求1所述的结构，其特征在于：加压部件包括布置在气囊(1，10)内并且在每个外部部分(2，20)的端部之间延伸的横梁(4)。

3、如权利要求1所述的结构，其特征在于：形状保持机构包括至少一个绕着气囊(1，10)延伸与加固绳(3，30)相交的环绕件(6)，在气囊(1，10)处于完全膨胀状态时，环绕件(6)使气囊(1，10)上被环绕件(6)环绕的位置变狭窄，产生至少一个狭窄区。

4、如权利要求3所述的结构，其特征在于：位于狭窄区两侧附近的气囊(1，10)的两部分是对称的。