[發明專利]一種飛艇用帶有形狀控制骨架的氣囊

有效

• 申請號: 201210286641.9
• 申請日: 2012-08-13
• 公開（公告）號: CN103587674A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 范春石;馬蓉;李勇;王彥廣;姚偉;鄭威;宋堅;王文雋;吳志紅
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: B64B1/58
• 分類號: B64B1/58
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 程旭輝

技術領域

本發明屬于飛艇技術領域，具體涉及一種飛艇用帶有形狀控制骨架的氣囊。

背景技術

飛艇是一種輕于空氣的飛行器，其基本工作原理是依靠在自身巨大的浮力體（一般為艇體）內填充氫氣、氦氣等輕質浮升氣體，使飛艇整體的平均密度與其所排開的周圍空氣密度相當，從而達到浮重平衡，實現空中懸停。根據上述原理，為使飛艇具有高度調節能力，需要對飛艇的凈浮力，即總浮力與自重之差，進行調整。完成這一目標無外有兩種基本方式：一是改變飛艇外形，控制浮力體的排量以調整總浮力；二是通過一定的技術手段，改變飛艇自重。現有技術中的大部分飛艇具有固定的結構外形，在忽略彈性變形的情況下，可認為飛艇的總排量保持不變。對于這類飛艇，實現凈浮力調節的主要依靠第二種方法，通過吸入或排出空氣，改變飛艇自重。為此，飛艇內部空間通常用氣密薄膜分隔為兩部分，分別專用于存放浮升氣體和空氣，以避免氣體混雜。各氣體空間又可進一步劃分為若干個氣囊或氣室。

由于飛艇所攜帶的浮升氣體質量是固定的，而環境大氣壓力隨飛行高度而不斷變化，這使得艇內的浮升氣體和空氣所占據的空間相應的發生變化。飛艇上升、下降過程中，運行最大設計高度值越大，浮升氣體在其飛行跨高范圍內的體積變化量越大。以氦氣飛艇為例，若極限飛行高度為4km，則艇內氦氣體積占飛艇總體積的百分比將在50%～100%之間變化變化，空氣體積占比則覆蓋0～50%的范圍。對于更高的設計跨高，氣囊體積的收張變化范圍還會更高。

現有技術中的飛艇內氣囊采用柔性薄膜材料構建，只有在被氣體完全充滿、膜材兩側形成一定壓差的狀態下，才能被充分展開張緊形成較為穩定的構型。由于氣囊采用的薄膜材料彈性有限，故工程上只能按照其最大展開體積進行設計。仍以極限飛行高度為4km的飛艇為例，即空氣囊需要按照總體積的50%設計加工。這意味著在大部分時間內，飛艇內氣囊處于不完全充滿狀態，當飛艇姿態傾斜或轉動時，內氣囊將出現明顯的晃動、扭轉，引起飛艇重心竄動，影響姿態的穩定性，甚至使飛艇面臨傾覆的危險。

為增強飛艇內氣囊的形狀確定性，美國公開了一種抗折皺氣囊，其原理是所采用的薄膜具有較大的收縮性，能夠使囊體在充氣未滿狀態下依然保持整體張緊，其不足之處是需要采用特殊的膜材和復雜的工藝，并且氣囊仍然是柔性體結構，形狀穩定性有限。還有文獻公開了一種副氣囊囊體結構，該氣囊位于艇體內的膜壁上設有一組垂直交叉的折縫，可將充氣后的囊體頂部形成一個十字形的凹槽，由此增加了氣囊體頂部膜壁的張力，形成四個呈田字形排列的突起，相對于傳統氣囊的自由頂面，這種帶有突起的頂面形態更為穩定，氣囊由小到大伸展過程中的形態變化接近于一個帶有上述頂面的柱體的伸展過程；該方式的氣囊也仍然是柔性體，雖然其頂面的形態得到了一定的控制，但側面仍較為松弛，氣囊整體仍可能傾斜或扭轉。綜合目前公開文獻，現有技術中的飛艇內氣囊由于其純柔性體的本質，具有形狀控制能力偏弱的缺點，有進一步改進的需求。

更進一步，為提高飛艇的靜重調節與壓力調節能力，希望飛艇氣囊具有承受較高氣體超壓的能力，以容納更多的浮升氣體補充泄漏損失、容納更多空氣調節重量，以及安全地承受更多的氣體升溫。現有技術提供了一些高壓氣囊的方案，比如：一種采用多級式的高壓氣囊方案，即“囊中囊”方案，用于氦氣的增壓存儲，其不足之處包括系統復雜，自重較大，內層氣囊散熱不暢等問題。一種平流層耐壓氣球方案，其囊體呈南瓜狀，由多根高強度承力帶以及承力帶之間突起的傘衣幅構成，傘衣幅的突起降低了膜壁的環向曲率半徑，由于膜內張力近似等于該曲率半徑與膜內壁外壓差之積，這就使膜壁承受的張力顯著降低，從而能夠選用強度相對較低的輕質膜材，降低氣球的重量；其不足之處在于該囊體本質上是一種氣承索膜結構，一方面該結構仍是一種柔性體，穩定性有限，已有實踐經驗均顯示其容易發生“S形扭曲變形”現象；另一方面，該結構所形成的囊體只能呈圓周對稱的形狀，若作為內部氣囊使用，一般情況下難以找到可以充分利用所分配的艇內空間的布局，由此造成較大的空間浪費。美國Aeros公司開展了一種基于氦氣壓縮存儲的低空飛艇靜重控制系統試驗，所采用的高壓氣囊為輪胎形，其不足之處在于，輪胎形囊體的表面積與體積之比較大，這使得每單位質量囊體平均裝載的氣體質量偏低，為了提高所容納的氣體量，只能采取較大的氣壓，如上述案例中輪胎形氣囊內的壓縮氦氣壓強高達數個大氣壓，一方面對囊體的結構安全性造成較大考驗，另一方面對于運行于稀薄大氣環境的高空飛艇，該增壓比過高，壓氣設備工程實現的難度很大。