一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇制造技术

本发明专利技术公开了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，包括由张拉整体主龙骨撑起的外囊体，和所述外囊体内部的多个密封的内囊体。所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环，及顺序连接各个加劲环中心的毂轴的两端后、通贯所述平流层飞艇长度方向的多个中芯轴桁架，当温度或光照变化时，所述张拉整体主龙骨承受来自于外囊体的负压，使外囊体体积变化很小，平流层飞艇仍可相对稳定地悬浮于平流层中。本发明专利技术的平流层飞艇，通过设置固定形状的张拉整体主龙骨，限制了所述外囊体的外形，基本保证了所述外囊体的体积及浮力稳定，故可实现长期驻空飞行，内部压力控制简单和姿态稳定、能耗低，升空和返航可控性优，为平流层飞艇走向工业化应用奠定基础。

A large scale rigid flexible integrated stratospheric airship

【技术实现步骤摘要】
一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇
本专利技术涉及浮空飞行器
，尤其涉及一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇。
技术介绍
平流层，也叫同温层，地球大气层从下往上的第二层，在对流层之上，中间层之下，即海平面向上约10-50公里，上暖下冷，平均大气密度约88.9g/m3,平流层中大气为水平流动，极少发生上下翻滚，空气流动相对稳定，故飞行器大多在平流层中飞行。平流层飞艇就是一种利用静浮力，并结合推进和综合环控、飞控、能源等分系统的，长期驻空于平流层临近空间的低动态飞行器，具有广泛的军民应用潜力，是国家战略性空间资源开发平台和重点研发领域。但是，目前，在世界范围内，仍处于关键技术攻关、瓶颈技术突破、集成技术验证阶段，尚没有成熟的工业级应用产品。由于平流层空气稀薄，空气密度仅约海平面1/14，浮力极小，因此，国内外为了轻量化，一般为采用由轻质材料制成的软式飞艇。但是，平流层昼夜交替导致飞艇温度交变，由此则产生浮力变化、压力变化、和质心变化，导致飞艇驻空状态不稳定。同时，稀薄气体使得空气压缩困难，因此，维持压力的鼓风机需要低流量、高压头的专用鼓风机，能耗高、效率低、但造价却高；且稀薄空气要求高空螺旋桨桨径大，速度低，重量大，更使得推力效率低。另外，还会消耗较多的能源以维持飞艇系统的状态，这也增加了飞艇系统的总重量。故平流层飞艇系统的总重量并不轻。而且飞艇系统要求长期驻空、保持高度、并维持浮力，目前技术中，仍未能得到有效的解决。国内外该领域科技人员仍在进行各种探索。其中，中国专利申请“一种仿生平流层飞艇”(CN108706091A)，和“一种平流层飞艇浮力与压力协同控制方法”(CN108725734A)，根据僧帽水母的外形原理，提出了一种新型的飞艇构型与布局，在热调节气囊内填充有气液可逆调控的工质，通过热力循环装置将工质实现在液态与气态之间相互转换，并采用压力与浮力协同控制的方法，实现了对压力与浮力的长期控制，但是没有解决质心调节的问题。中国专利“一种含有氢气调节装置的平流层飞艇”(CN106394855A)，通过储氢压舱物的释放，补充氦气损耗，从而维持浮力和压力，以及结合燃料电池的氢氧水电化学反应实现循环，但是，技术难点多，并且氢气目前尚禁止用于飞艇。中国专利“一种具有氨气副气囊的飞艇及其浮力控制方法”(ZL201110012621.8)，采用氨气副气囊三元气囊，并通过气液间的相变来实现对压力与浮力的控制，该方案具有较高的可行性，但是，氨气工质对浮心和飞艇质心的影响及其控制问题都没有得到有效解决。中国专利“大体型飞艇的刚性结构体系”(CN201521080600.X)提出了一种刚性结构体系的飞艇，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构。其中预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成。但是，该结构的预应力加劲环的刚度低、稳定性很差，通长的中芯轴贯穿飞艇囊体的首尾，分别穿过若干个预应力加劲环的中心管，导致中芯轴受较大的压弯作用力，容易失稳，承载力低，安装不便，难以形成整体可行的预张力；柔性外囊体结构与预应力结构体系难以协同受力，整体结构效率低。中国专利申请“一种新型结构的硬式平流层飞艇”(CN108725741A)，提供了一种硬式平流层飞艇，在外囊体外设置多个由加劲环和杆件构成的外囊体框架，将内囊体分隔为沿飞艇轴向依次排布的舱室内囊体，存储氦气，外囊体与内囊体之间的囊体内存储空气，虽然方案被称为硬式飞艇，且可承受负压，但该方案本质上仍是一个整体软式结构的飞艇概念，仅仅局部是增强了的结构体系，即整个飞艇结构体系仍需要外囊体充气超压维持飞艇形态和刚度。中国专利申请“一种大尺度半刚性结构飞艇”(CN201910275705.7)，采用拉压自平衡体系的整体龙骨与预张力囊体相集成、以协同受力的结构，预张力囊体具有在零压下的整体保形和低压下的整体刚度与高承载形的特点。但是，囊体总体是非负压，可接近于零压，部分囊体(头部球形或低阻流线形)在低压或零压下并不能保持其形态与刚度，同时，该专利技术仅针对飞艇的结构体系，未涉及飞艇总体特质的改进。即现有技术中的平流层飞艇，其长期驻空生存能力仍然没有很好地得以解决，已经成为平流层飞艇走向工业化应用的障碍。因此，现有技术还有待于进一步提高和改进。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，以提高平流层飞艇的长期驻空生存能力。为实现上述目的，本专利技术提供了一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，包括密封的外囊体和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体；所述外囊体由柔性低透气率的薄膜材料包裹一刚性的张拉整体主龙骨围成，所述外囊体内充有空气；所述内囊体由超轻质低强度薄膜制成，所述内囊体内充有氦气，所述内囊体在所述外囊体顶部设有氦气阀门；所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环及一组中芯轴桁架，所述中芯轴桁架顺序连接固定在各个加劲环的中心的毂轴的两端，连接后通贯所述平流层飞艇的长度方向；所述加劲环包括用于支撑起所述外囊体的外环，所述外环包括由沿周向分开设置的一组三角形桁架连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架包括向外抵触并撑开两根所述子环的两个外弦节点和远离所述外囊体的一个内弦节点；所述内弦节点通过两根径向拉杆，分开连接所述毂轴的两端。优选地，所述内囊体环状包绕所述中芯轴桁架。优选地，还包括用于调节所述外囊体内部气压的环控系统，以维持所述外囊体内的气压在设定的负压限值和设定的正压限值之间；所述环控系统包括环控控制器，在内外压差下，分别控制开闭设置于所述外囊体底部的一组常闭的空气阀门和安装在所述外囊体上的一组鼓风机；当所述外囊体内正压高于所述正压限值时，所述环控控制器控制打开所述空气阀门，在正压下向外排气；所述鼓风机的吹风口设有常闭的止回叶片，当所述外囊体内负压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制所述鼓风机工作，吹风打开所述止回叶片，向所述外囊体的内部充气，减少负压；所述负压限值不超过所述张拉整体主龙骨的抗压极限所对应的负压值，所述正压限值不超过所述外囊体的抗拉极限所对应的正压值；所述外囊体内的气压高于所述外囊体外大气压时为正压，所述外囊体内的气压低于所述外囊体外大气压时为负压。更优选地，所述空气阀门和所述鼓风机设置多个。更优选地，所述鼓风机包括高空鼓风机和低空鼓风机，根据所述平流层飞艇的悬浮高度，由所述环控控制器控制工作。优选地，还包括用于机动所述平流层飞艇的推进系统，所述推进系统包括至少一个由推进控制器控制的尾推；所述尾推固定于所述平流层飞艇的尾部区域的外囊体的外表面上，正对所述中芯轴桁架的端部。更优选地，所述推进系统还包括至少一个由所述推进控制器控制的侧推，所述侧推左右对称地固定于所述外囊体的外表面上，正对所述外环。进一步优选地，所述侧推和所述尾推采用高空电机驱动高空桨。优选地，所述平流层飞艇还包括用于提供能量的能源系统、和用于放置承载物的吊舱。更优选地，所述能源系统包括覆盖所述平流层飞艇的至少部分上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，其特征在于，包括密封的外囊体和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体；/n所述外囊体由柔性低透气率的薄膜材料包裹一刚性的张拉整体主龙骨围成，所述外囊体内充有空气；/n所述内囊体由超轻质低强度薄膜制成，所述内囊体内充有氦气，所述内囊体在所述外囊体顶部设有氦气阀门；/n所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环及一组中芯轴桁架，所述中芯轴桁架顺序连接固定在各个加劲环的中心的毂轴的两端，连接后通贯所述平流层飞艇的长度方向；/n所述加劲环包括用于支撑起所述外囊体的外环，所述外环包括由沿周向分开设置的一组三角形桁架连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架包括向外抵触并撑开两根所述子环的两个外弦节点和远离所述外囊体的一个内弦节点；所述内弦节点通过两根径向拉杆，分开连接所述毂轴的两端。/n

【技术特征摘要】
1.一种大尺度刚柔一体结构的平流层飞艇，其特征在于，包括密封的外囊体和设置于所述外囊体内部的多个密封的内囊体；
所述外囊体由柔性低透气率的薄膜材料包裹一刚性的张拉整体主龙骨围成，所述外囊体内充有空气；
所述内囊体由超轻质低强度薄膜制成，所述内囊体内充有氦气，所述内囊体在所述外囊体顶部设有氦气阀门；
所述张拉整体主龙骨包括多个并排放置的加劲环及一组中芯轴桁架，所述中芯轴桁架顺序连接固定在各个加劲环的中心的毂轴的两端，连接后通贯所述平流层飞艇的长度方向；
所述加劲环包括用于支撑起所述外囊体的外环，所述外环包括由沿周向分开设置的一组三角形桁架连接并撑开的至少两根子环，所述三角形桁架包括向外抵触并撑开两根所述子环的两个外弦节点和远离所述外囊体的一个内弦节点；所述内弦节点通过两根径向拉杆，分开连接所述毂轴的两端。


2.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，还包括用于调节所述外囊体内部气压的环控系统，以维持所述外囊体内的气压在设定的负压限值和设定的正压限值之间；
所述环控系统包括环控控制器，在内外压差下，分别控制开闭设置于所述外囊体底部的一组常闭的空气阀门和安装在所述外囊体上的一组鼓风机；
当所述外囊体内正压高于所述正压限值时，所述环控控制器控制打开所述空气阀门，在正压下向外排气；
所述鼓风机的吹风口设有常闭的止回叶片，当所述外囊体内负压低于所述负压限值时，所述环控控制器控制所述鼓风机工作，吹风打开所述止回叶片，向所述外囊体的内部充气，减少负压；
所述负压限值不超过所述张拉整体主龙骨的抗压极限所对应的负压值，所述正压限值不超过所述外囊体的抗拉极限所对应的正压值；
所述外囊体内的气压高于所述外囊体外大气压时为正压，所述外囊体内的气压低于所述外囊体外大气压时为负压。


3.根据权利要求1所述的平流层飞艇，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈务军，胡建辉，赵兵，杨钧，徐建东，汤令辰，
申请(专利权)人：上海交通大学，新誉集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31