[发明专利]一种飞艇用带有形状控制骨架的气囊

说明书

技术领域

本发明属于飞艇技术领域，具体涉及一种飞艇用带有形状控制骨架的气囊。

背景技术

飞艇是一种轻于空气的飞行器，其基本工作原理是依靠在自身巨大的浮力体（一般为艇体）内填充氢气、氦气等轻质浮升气体，使飞艇整体的平均密度与其所排开的周围空气密度相当，从而达到浮重平衡，实现空中悬停。根据上述原理，为使飞艇具有高度调节能力，需要对飞艇的净浮力，即总浮力与自重之差，进行调整。完成这一目标无外有两种基本方式：一是改变飞艇外形，控制浮力体的排量以调整总浮力；二是通过一定的技术手段，改变飞艇自重。现有技术中的大部分飞艇具有固定的结构外形，在忽略弹性变形的情况下，可认为飞艇的总排量保持不变。对于这类飞艇，实现净浮力调节的主要依靠第二种方法，通过吸入或排出空气，改变飞艇自重。为此，飞艇内部空间通常用气密薄膜分隔为两部分，分别专用于存放浮升气体和空气，以避免气体混杂。各气体空间又可进一步划分为若干个气囊或气室。

由于飞艇所携带的浮升气体质量是固定的，而环境大气压力随飞行高度而不断变化，这使得艇内的浮升气体和空气所占据的空间相应的发生变化。飞艇上升、下降过程中，运行最大设计高度值越大，浮升气体在其飞行跨高范围内的体积变化量越大。以氦气飞艇为例，若极限飞行高度为4km，则艇内氦气体积占飞艇总体积的百分比将在50%～100%之间变化变化，空气体积占比则覆盖0～50%的范围。对于更高的设计跨高，气囊体积的收张变化范围还会更高。

现有技术中的飞艇内气囊采用柔性薄膜材料构建，只有在被气体完全充满、膜材两侧形成一定压差的状态下，才能被充分展开张紧形成较为稳定的构型。由于气囊采用的薄膜材料弹性有限，故工程上只能按照其最大展开体积进行设计。仍以极限飞行高度为4km的飞艇为例，即空气囊需要按照总体积的50%设计加工。这意味着在大部分时间内，飞艇内气囊处于不完全充满状态，当飞艇姿态倾斜或转动时，内气囊将出现明显的晃动、扭转，引起飞艇重心窜动，影响姿态的稳定性，甚至使飞艇面临倾覆的危险。

为增强飞艇内气囊的形状确定性，美国公开了一种抗折皱气囊，其原理是所采用的薄膜具有较大的收缩性，能够使囊体在充气未满状态下依然保持整体张紧，其不足之处是需要采用特殊的膜材和复杂的工艺，并且气囊仍然是柔性体结构，形状稳定性有限。还有文献公开了一种副气囊囊体结构，该气囊位于艇体内的膜壁上设有一组垂直交叉的折缝，可将充气后的囊体顶部形成一个十字形的凹槽，由此增加了气囊体顶部膜壁的张力，形成四个呈田字形排列的突起，相对于传统气囊的自由顶面，这种带有突起的顶面形态更为稳定，气囊由小到大伸展过程中的形态变化接近于一个带有上述顶面的柱体的伸展过程；该方式的气囊也仍然是柔性体，虽然其顶面的形态得到了一定的控制，但侧面仍较为松弛，气囊整体仍可能倾斜或扭转。综合目前公开文献，现有技术中的飞艇内气囊由于其纯柔性体的本质，具有形状控制能力偏弱的缺点，有进一步改进的需求。

更进一步，为提高飞艇的静重调节与压力调节能力，希望飞艇气囊具有承受较高气体超压的能力，以容纳更多的浮升气体补充泄漏损失、容纳更多空气调节重量，以及安全地承受更多的气体升温。现有技术提供了一些高压气囊的方案，比如：一种采用多级式的高压气囊方案，即“囊中囊”方案，用于氦气的增压存储，其不足之处包括系统复杂，自重较大，内层气囊散热不畅等问题。一种平流层耐压气球方案，其囊体呈南瓜状，由多根高强度承力带以及承力带之间突起的伞衣幅构成，伞衣幅的突起降低了膜壁的环向曲率半径，由于膜内张力近似等于该曲率半径与膜内壁外压差之积，这就使膜壁承受的张力显著降低，从而能够选用强度相对较低的轻质膜材，降低气球的重量；其不足之处在于该囊体本质上是一种气承索膜结构，一方面该结构仍是一种柔性体，稳定性有限，已有实践经验均显示其容易发生“S形扭曲变形”现象；另一方面，该结构所形成的囊体只能呈圆周对称的形状，若作为内部气囊使用，一般情况下难以找到可以充分利用所分配的艇内空间的布局，由此造成较大的空间浪费。美国Aeros公司开展了一种基于氦气压缩存储的低空飞艇静重控制系统试验，所采用的高压气囊为轮胎形，其不足之处在于，轮胎形囊体的表面积与体积之比较大，这使得每单位质量囊体平均装载的气体质量偏低，为了提高所容纳的气体量，只能采取较大的气压，如上述案例中轮胎形气囊内的压缩氦气压强高达数个大气压，一方面对囊体的结构安全性造成较大考验，另一方面对于运行于稀薄大气环境的高空飞艇，该增压比过高，压气设备工程实现的难度很大。