一种硬壳飞艇及其升降方法以及该飞艇壳体的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇。特别是公开了一种专用于硬壳气球、飞艇，并能广泛应用于船身、潜艇、车厢等大型承力壳体制造的“多层层合、中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。该壳体为无框架多层层合结构，其中间施力壳层能以材料弹性变形回复力的方式，施力作用于高弹模材料外壳层，使之在壳内外等压状况下始终处于受拉张紧的“理想受力状态”并以此所获得的张力，实现抵抗壳体受力变形之目的，避免“薄壳受压屈曲稳定”问题。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空中运载工具；特别涉及一种能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇，及其制造方法，使用方法。气球、飞艇是极具开发潜力的空中运载工具。众所周知气球、飞艇只有向大型化、巨型化发展，即运载能力达到几十吨，几百吨时，在工业、商业、军事科技、广播通讯等众多领域，才真正具备实用价值。以目前使用较为广泛的软壳类的热气球，充氢充氦飞艇向大型化、巨型化发展是不现实的。因为气球、飞艇在承重和运动受力时，球壳艇身将发生受力变形，而软壳类球、艇因自身无刚度，其抵抗壳体受力变形，完全依赖于增加壳内低密度气体的压力，以提高壳皮表面张力的方式，达到抵抗壳体受力变形的目的。但是由于其壳壁簿，壳体总抗拉强度低，气密性能差。特别是壳体尺寸增大和壳内低密度气体增压后，壳体表面渗透面积增大，并且壳内气体向外部的渗透压力增高，因此采用这种方法在大尺寸的情况下，不仅难以保证壳体高强度的抗拉要求 而且会加速壳内低密度气体的渗漏。壳皮表面的张力很难保持。其使用的安全问题，留空时限以及使用中的维护问题均难解决。所以软壳类的气球、飞艇是不能达到高承载的目的的。气球、飞艇向大型化、巨型化发展必须依靠“有刚度、自重轻、气密性能好，能安全使用廉价氢气并能控制其升降的巨型硬壳球艇(10万立方米以上)”。这在气球二百余年的发展史上尚无成功的先例，也正是本专利技术的总目的。本专利技术将提供巨型硬壳气球、飞艇及其壳体的制造方法和安全充加使用氢气与控制飞艇升降的方法。一、“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。通过对框架结构壳体的受力分析、制造工艺分析可知硬壳球、艇难以成功，难能实现的根本原因是人们基于“减轻自重提高壳体整体刚度、强度的常识”，①偏重于选择轻质高强度的簿板材制做壳体。②在大尺寸和对自重要求极其苛刻的情况下，仍试图沿用壳体制造的经典传统方法，即先制造内部承力构架，而后在构架上铺设起气密作用和传力作用的板材或蒙皮的方式制造壳体。如中国《国际航空》97.5介绍的某计划中的飞艇，其艇身就是由凯芙拉复合材料，用多层挤压层合的簿板制成的。这一传统的壳体设计选材思想、制造方法，也包括了历史上著名的“兴登堡”巨型飞艇和其它一些运载工具的壳体；如船身、飞机的机身、车厢、潜艇以及大型密封容器，壳式建筑等等。在壳体的设计选材和制造方法上均是如此。这一类壳体的主要技术特征是“壳壁气密、传力，构架承力”。轻质高强度材料的种类很多，其中密度最小的一类是纤维复合材料。如玻璃纤维——环氧树脂复合材料，碳纤维——环氧树脂复合材料，硼纤维——环氧树脂复合材料等。其材料的比强度、比刚度均优于优质钢铁。材料的密度值一般为1.38×103kg/m3～2.4×103kg/m3。这样的密度值在固体材料中可谓不高，但用来制做对自重要求极为苛刻的气球、飞艇，其壳体却只能是“截面力学特性”极差，且壁厚δ仅能为几毫米的簿壁壳。如果在直径大于50米的大尺寸情况下，仍然延用上述经典传统的壳体制造工艺及方法，则难免会带来“簿壁壳受压屈曲稳定，簿板的对接、联接，壳体整体的刚度、强度，以及壳体的气密能力等，特别是壳体内部大跨度承力构架的设置，构架的自重、自身的稳定性”等等诸多的力学问题和极复杂，现有技术难以解决的制造工程问题。而又由于壳体内部必须设置构架，当向壳内充加氢气时，只能采取不能隔绝空气的“向下排空气法”，以至于无法安全使用廉价且密度值最小，技术性能最好的氢气。从而又在使用的经济性、安全性上阻碍了硬壳球、艇的发展。因此，欲制造对自重要求极其苛刻的大型、巨型硬壳气球、飞艇，保证壳体受力稳定，保证使用的经济性、安全性，必须否定和放弃上述经典传统的构架承力结构的壳体！放弃其设计选材思想和放弃其经典传统的壳体制造工艺方法。另辟溪径，采用新型结构的壳体。本专利技术的第一个目的就是要提供一种，以低密度、低弹性模数材料为主要施力壳层的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”及其制造方法。依据专利技术所提供的方法制造的壳体壳壁厚大，气密性强，受力稳定，具有很好的“截面力学特性”。自重轻，有效载荷大。能满足气球、飞艇对自重的苛刻要求。(示例I中的飞艇自重与总浮力之比可达1∶2)采用该方法，制造工艺简单便捷，可以不设置内部承力构架。壳体内表面平整，能为采用“隔膜充氢法”安全使用氢气提供必要条件，和能为采用“空气重量增减法”控制气球、飞艇的升降提供条件。特别重要的是，采用该方法能简单有效的弥补和利用，低密度材料，强度低、弹性模数低、受力易变形的重大缺陷及其特性。能在壳内外无压差的等压状态下，使低密度材料壳层处于弹性回复的稳定施力状态，成为能增加壳体表面高弹模材料壳层张力的施力壳层。从而保证主要承力的整体高弹模纤维复合材料壳层(或钢质壳层，高强度工程塑料构架层)，在壳内外等压状况下，受低弹模壳层的施力作用处于均匀的受拉张紧的“理想受力状态”。保证壳体的受力稳定。依据专利技术提供的方法制造的壳体，其施力壳层虽然采用了低密度、低弹模材料，但是由于其壳壁厚大，总承力面积大，因此能够承受极大的预压紧力，以保证高弹模材料壳层，在壳内外气压相等的状态下，能够获的巨大的张力，使壳体具备足够的抗变形能力，完全能够满足，载荷力，推进动力、运动阻力、自然力等力、力矩对壳体的要求，并能满足不同的使用目的对壳体的特殊要求。本专利技术所提供方法，不仅能适用于硬壳气球、飞艇的制造，而且适用于船身、机身、潜艇、车厢，以及大型密封容器，壳式建筑等壳体的制造。本专利技术的目的是由以下方法、步骤实现的。以下结合附图，予以说明附附图说明图1是本专利技术所述硬壳飞艇的结构示意图。附图2是所述飞艇在充氢及做为载人飞艇使用时的结构原理图。附图3利用交错排列法，粘接中间施力壳层的工序图。专利技术所提供的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”是一种无内部构架壳体。该壳体为多层层合结构，它分别由中间施力壳层(8)与外层高弹性模数材料壳层(9)层合构成，或由中间施力壳层与内、外高弹模材料壳层层合构成。其高弹性模数材料壳层(9)可以是纤维复合材料壳层或是内、外钢质材料双壳层，或是设置于壳壁内的高强度工程塑料构架层。其中间施力壳层(8)由低密度或低弹性模数材料构成，其材料可以是聚苯乙烯塑料泡沫，硬质聚胺脂泡沫(I)型、II型等。该壳体的施力壳层(8)，在制造过程中，通过预压、紧合—层合工艺，能超前完成受力变形并通过其材料弹性变形回复力的方式，施力作于层合在其外的高弹性模数材料壳层(9)上，使(9)能在壳内外气压相等的状态下，以及工作压力小于预压紧力的工作状态下，处于受拉张紧的“理想受力状态”。该壳体是以其自身所获得的张力，实现抵抗壳体受力变形的目的，和避免工作受压时，壳体可能出现的“簿壁壳受压屈曲稳定问题”的。制造该“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”的步骤是1、用预制的低密度材料的厚板材、块材，依附挖掘或搭建的阶梯状圆弧形凹槽(14)的表面，以建筑垒砌砖块的方法，交错排列，直接粘接成气球、飞艇(船身、机身)壳体的施力壳层(8)，并达到工艺设计要求的尺寸和模样。由于板材、块材极厚、极轻，且采用了交错排列的方式，因此在垒砌壳体上半部分的板材、块材时，其板材、块材实际呈插接安装的自支撑形式，所以无需构架支撑或仅需支撑力很小的辅助支撑。因此对于横向跨度较大的气球、飞艇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能安全使用氢气，并能控制其升降的硬壳气球、飞艇，它是由壳体（１）－俗称气囊，充入在壳内的氢气或氦气（２）、载人或载货仓室（３）、以及安装在壳体外部的动力推进装置（４）四个部分组成，其外形可以有多种样式如：球形、椭球形、胶囊药丸形，该气球、飞艇是完全依靠空气提供的浮力，实现空中悬浮，以完成广播、通讯空中平台所应完成的工作，当壳外安装了动力推进装置（４）后，即为飞艇，主要完成空中运输、吊运工作，其特征在于：该气球、飞艇的壳体为硬质材料，其壳体采用的是一种无内部框架的“多层层合，中间壳层施力的新型结构壳体”，在其壳内设有一层或多层，能将壳内空间分隔成“氢气空间”（５）和“空气空间”（６）的整块隔膜（７），其安全充加氢气，使用氢气，以及其升与降的控制，依靠的是一种“隔膜充氢及隔膜空气重量增减法”。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，
申请(专利权)人：张涛，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]