[發明專利]平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法及制備方法

有效

• 申請號: 201710138921.8
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN106934148B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 趙磊
• 申請（專利權）人: 北京天恒長鷹科技股份有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京辰權知識產權代理有限公司 11619
• 代理人: 佟林松

本發明提供一種平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法、平流層飛艇及其制備方法，所述仿真方法包括以下步驟：(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；(2)進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力，作為加筋強化區域；(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。

技術領域

本發明涉及平流層大飛艇的技術領域，具體涉及一種平流層飛艇艇囊強化和輕量化的仿真方法、平流層大飛艇及其制備方法。

背景技術

平流層飛艇是一種輕于空氣的浮空器，依靠空氣浮力駐空，通過太陽能為其提供能源動力，并帶有推進系統，具有不依賴機場或跑道可實現垂直起降、能懸停于任意地理位置上空，運行高度超出空管范圍，不受對流層惡劣天氣影響，可全天侯全天時連續工作，載荷能力強，費效比高，探測范圍廣等優點，在國防與民用中有著廣泛的應用前景。

目前，國內外平流層飛艇以軟式為主，不同于硬式、半硬式飛艇的結構形式，軟式飛艇在平流層中完全由艇囊結構承受囊體內外氣體壓差帶來的表面張力控制。平流層環境苛刻，對艇囊蒙皮材料強度要求很高，傳統提升飛艇結構強度的方法主要有直接加強蒙皮材料性能，改變飛艇結構形式。例如多囊體分段式飛艇，變體飛艇等，但試驗過程中不斷有新式問題出現，也沒有從根本上解決飛艇輕量化的問題。例如現有技術CN106240844A一種平流層飛艇囊體強度的設計方法，該發明依據平流層飛艇囊體強度設計公式準確的確定飛艇囊體厚度，有效減小平流層飛艇囊體強度設計理論中的設計誤差，提高囊體設計的可靠性，但是該發明是從針對艇囊表面整體區域進行強化，難以兼顧飛艇結構輕量化。

研究顯示一般飛艇艇囊結構重量占飛艇浮力的40％～60％，而蒙皮材料是平流層飛艇重量和尺寸控制的基礎，同時蒙皮材料必須采用高強度、阻氦氣滲透性能最佳、耐候性最好的輕質材料。可見，蒙皮材料的重量嚴重影響飛艇的載重性能。因此，從蒙皮材料上入手進行飛艇的減重是實現飛艇結構輕量化的根本措施，且具有針對性。基于此，亟待針對平流層飛艇設計過程中結構輕量化和艇囊強化之間互相制約的難題，研發一種平流層飛艇艇囊在保證艇囊整體應力降低，結構得到整體強化的同時，兼顧了飛艇輕量化這一重要指標的方法。

發明內容

本發明的目的是通過以下技術方案實現的，一種平流層飛艇艇囊強化和輕量化的仿真方法，包括以下步驟：

(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；

(2)估計飛艇內部氣體在平流層駐留時可能產生的超壓范圍，以最大超壓值作為加載條件，結合飛艇的外形尺寸和超壓條件，對其進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；

(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力的區域，作為加筋強化區域；

(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；

(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。

進一步，步驟(1)中，所述平流層飛艇基本外形為長橢圓旋成體結構，建模過程中忽略對艇囊應力分析影響不大的尾翼和吊艙的建模。

進一步，步驟(2)中，超壓范圍是指平流層飛艇為保證其良好的氣動特性和穩定的駐留高度，一般控制其內外氣體壓差為外界氣壓的3％左右，由于在內部氣體超壓超熱雙重影響下，其壓強可達0-1500Pa，因此為保證平流層飛艇良好的氣動特性和穩定的駐留高度，以此最大超壓值1500Pa作為超壓條件對其進行加載。