一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法技术

一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，涉及一种飞艇结构设计方法。飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体设计，在主囊体内部设置隔膜，隔膜可以自由膨胀且隔膜边缘与主囊体内壁密封固定连接，隔膜和主囊体下部隔膜包围部分组成空气囊，主囊体内部位于隔膜上方为氦气存在区域，在主囊体内部间隔设置多个充气环，充气环通过四条连接索限制定型，充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间，主囊体首尾两端通过碳纤维骨架起到轴向辅助支撑作用。在飞艇的主囊体内部设置充气环，使承载较大的部位的变形和受力得到有效的控制，充气环将空气囊隔断成多个协同作用，不同空气囊空间充放气也有利于改变飞艇重心控制纵向运动。

A design method of airship structure based on air bag diaphragm and inflatable ring framework

An airship structure design method based on an air bag diaphragm and an inflation ring skeleton relates to an airship structure design method. The main capsule structure of airship adopts the double ellipse bus spinning body design. A diaphragm is set inside the main capsule. The diaphragm can expand freely and the edge of the diaphragm is sealed and fixed with the inner wall of the main capsule. The diaphragm and the surrounding part of the diaphragm at the lower part of the main capsule form the air capsule. The inner part of the main capsule is located above the diaphragm and there is a helium existing area. A plurality of gas rings and gas rings are set in the inner space of the main capsule The air bag is divided into several air bag spaces by four connecting cables, and the two ends of the main bag are supported by carbon fiber skeleton. In order to effectively control the deformation and stress of the parts with larger load, the inflation ring is set inside the main capsule of the airship. The inflation ring divides the air capsule into multiple cooperative actions. The different space inflation and deflation of the air capsule is also conducive to changing the center of gravity of the airship to control the longitudinal movement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法
本专利技术涉及一种飞艇结构设计方法，尤其是一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法。
技术介绍
平流层空间距离地表高度为20～100km，位于对流层之上及电离层之下，天气气候稳定，几乎无电磁干扰，其独特的环境优势和军民用应用价值，成为世界各国关注的热点。平流层飞艇为平流层空间长时间持续飞行的飞行器代表，在通信中继、导航定位、气象观测、空间探测等领域有着广泛的应用前景和发展潜能，美、日、英、俄等许多国家正投入大量经费进行研发，平流层飞艇进入快速发展时期。平流层飞艇体积庞大，上下表面超压不同。目前，飞艇的主囊体内部没有充气环，也没有考虑几个空气囊协同作用时候的运作机理，主囊体变形较大的部位得不到有效的控制。因此，针对上述缺陷，基于飞艇的主囊体内外压力压差梯度载荷条件，建立在不同高度处飞艇的主囊体受内外压差真实工况下的飞艇模型，对飞艇结构进行优化设计，通过在主囊体内部增加充气环的方法，增加主囊体整体的刚度，并且在主囊体体积收缩时，其内部可以形成零压或负压，提升充放气的效率，对飞艇结构设计领域具有明显的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，所述设计方法包括：飞艇的主囊体构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体内部设置隔膜，所述隔膜可以自由膨胀且隔膜边缘与主囊体内壁密封固定连接，隔膜和主囊体下部隔膜包围部分组成空气囊，主囊体内部位于隔膜上方为氦气存在区域，所述空气囊与所述氦气存在区域交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体内部沿长度方向间隔设置多个充气环以增强刚度，每个所述充气环通过四条连接索限制定型，每个充气环采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间，主囊体首尾两端分别设置多根碳纤维杆组成碳纤维骨架，对主囊体轴向起到辅助支撑作用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术在飞艇的主囊体内部设置充气环增加整体的刚度，充气环设置有连接索控制变形，能够使主囊体承载较大的部位的变形得到有效的控制，并且在主囊体体积收缩时，其内部可以形成零压或负压，提升充放气的效率，设置多个充气环将空气囊整体隔断成多个空气囊空间协同作用，当隔膜刚度较大时，可以让充气环下部也充满氦气，存在梯度压力，有利于维持飞艇主囊体的形态和刚度，不同空气囊空间充放气也有利于改变飞艇重心的轴向位置来控制飞艇的纵向运动，对飞艇结构设计领域具有明显的现实意义。附图说明图1是本专利技术的飞艇的主囊体的几何外形示意图；图2是本专利技术的飞艇在驻空高度时主囊体内隔膜状态示意图；图3是本专利技术的飞艇在18km高度时主囊体内隔膜状态示意图，其中隔膜刚度很小；图4是本专利技术的飞艇在12km高度时主囊体内隔膜状态示意图，其中隔膜刚度很小；图5是本专利技术的飞艇的空气囊内为正压时隔膜状态示意图，其中隔膜刚度较大；图6是本专利技术的隔膜的受力分析示意图；图7是本专利技术的飞艇的主囊体设置碳纤维杆的轴测图；图8是本专利技术的充气环的主视结构示意图；图9是本专利技术的飞艇的主囊体内设置充气环的轴测图；图10是本专利技术的充气环与四条连接索的布置形式示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。具体实施方式一：如图1～图10所示，本专利技术公开了一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，所述设计方法包括：飞艇的主囊体1构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体1内部设置隔膜2，所述隔膜2可以自由膨胀且隔膜2边缘与主囊体1内壁密封固定连接，隔膜2和主囊体1下部隔膜2包围部分组成空气囊1-1，主囊体1内部位于隔膜2上方为氦气存在区域1-2，所述空气囊1-1与所述氦气存在区域1-2交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体1内部沿长度方向间隔设置多个充气环3以增强刚度，每个所述充气环3通过四条连接索3-1限制定型，每个充气环3采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环3将空气囊1-1整体隔断成多个空气囊空间，主囊体1首尾两端分别设置多根碳纤维杆4组成碳纤维骨架，对主囊体1轴向起到辅助支撑作用。具体实施方式二：如图8所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述充气环3采用vectran织物材料，所述连接索3-1采用凯夫拉带。具体实施方式三：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述隔膜2以UHMWPE纤维50D织物为承力层、聚烯醇类功能膜为阻气膜，所述承力层的材料面密度为0.97g/cm3、纤维比强度为3196kg·m/kg，所述阻气膜的材料面密度为15g/cm3、透氦率为0.18L/m2.24h.atm。实施例：参照图1所示的几何外形设计飞艇的主囊体1，主囊体1采用双椭圆母线旋成体设计，是典型的流线型布局，满足：其中a＝32.527m，b＝15.136m，主囊体1的总体积为37680m3，主囊体1的总长度为78.520178m，最大直径为30.272m，参照图2所示，在主囊体1内部设置隔膜2，隔膜2可以自由膨胀且隔膜2边缘与主囊体1内壁密封固定连接，隔膜2和主囊体1下部隔膜2包围部分组成空气囊1-1，主囊体1内部位于隔膜2上方为氦气存在区域1-2，可根据需要设置多个氦气囊，参照图9所示，在主囊体1内部沿长度方向间隔设置8个充气环3，充气环3设置在主囊体1变形较大的部位，由于主囊体1头部为迎风面，可在主囊体1内部靠近头部位置增加1个充气环3，主囊体1内部与氦气囊对应位置可增加4个充气环3，主囊体1内部与吊舱对应位置可增加1个充气环3，主囊体1内部与螺旋桨对应位置可增加2个充气环3，以增强刚度，充气环3的数量及位置可以根据需要增减与布置，充气环3采用直管拼接，通过计算保证直管拼接的圆度在99％以上，在受力较大位置直管拼接的数量和横截面直径都进行加大，参照图8所示，充气环3通过四条连接索3-1限制定型，连接索3-1布置形式参照图10所示，当隔膜2选用不同材料时，在不同的压力下，其变形机理不同，梯度压力的计算也不同，若隔膜2刚度很小，参照图3、4所示，分别为飞艇在18km和12km高度时隔膜状态示意图，隔膜2上下的氦气和空气的内压是相同的，隔膜2处氦气和空气产生的压力平衡，隔膜2内的气体会充满任何一个低洼处，故隔膜2为水平状态，隔膜2与充气环3交界处贴合在一起，若隔膜2刚度较大，如采用以UHMWPE纤维(50D)织物为承力层(材料面密度为0.97g/cm3,纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，其特征在于：所述设计方法包括：/n飞艇的主囊体(1)构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体(1)内部设置隔膜(2)，所述隔膜(2)可以自由膨胀且隔膜(2)边缘与主囊体(1)内壁密封固定连接，隔膜(2)和主囊体(1)下部隔膜(2)包围部分组成空气囊(1-1)，主囊体(1)内部位于隔膜(2)上方为氦气存在区域(1-2)，所述空气囊(1-1)与所述氦气存在区域(1-2)交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体(1)内部沿长度方向间隔设置多个充气环(3)以增强刚度，每个所述充气环(3)通过四条连接索(3-1)限制定型，每个充气环(3)采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环(3)将空气囊(1-1)整体隔断成多个空气囊空间，主囊体(1)首尾两端分别设置多根碳纤维杆(4)组成碳纤维骨架，对主囊体(1)轴向起到辅助支撑作用。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空气囊隔膜及充气环骨架的飞艇结构设计方法，其特征在于：所述设计方法包括：
飞艇的主囊体(1)构型采用双椭圆母线旋成体设计，在所述主囊体(1)内部设置隔膜(2)，所述隔膜(2)可以自由膨胀且隔膜(2)边缘与主囊体(1)内壁密封固定连接，隔膜(2)和主囊体(1)下部隔膜(2)包围部分组成空气囊(1-1)，主囊体(1)内部位于隔膜(2)上方为氦气存在区域(1-2)，所述空气囊(1-1)与所述氦气存在区域(1-2)交互充放气改变压强和体积，控制飞艇的上升和下降，在主囊体(1)内部沿长度方向间隔设置多个充气环(3)以增强刚度，每个所述充气环(3)通过四条连接索(3-1)限制定型，每个充气环(3)采用直管拼接，保证直管拼接的圆度在99％以上，多个充气环(3)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：林国昌，王长国，谭惠丰，张季，马瑞强，马腾，高伟楠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23