[发明专利]一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇

说明书

本发明公开了一种大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇，涉及浮空飞行器技术领域，包括外囊体、内囊体、葵花形悬挂分隔、底腹龙骨、头锥、尾翼、推进器、太阳能电池、起落架；外囊体为气密性囊体结构，外囊体内为空气，由内外气压差保持囊体形态和刚度；外囊体内部沿纵向设置多个葵花形悬挂分隔，将外囊体内部分隔为多个气舱，气舱内设置内囊体，内囊体内是浮力工质氦气；底腹龙骨位于外囊体底腹部，沿纵向设于飞艇主体区段。本发明可提高平流层飞艇的整体结构力学性能，降低系统设计、制作、集成技术难度和总体成本，提高平流层飞艇的工业化应用水平。

技术领域

本发明涉及浮空飞行器技术领域，尤其涉及一种新型大尺度刚柔性组合结构平流层飞艇。

背景技术

平流层介于对流层和外层空间之间，一般高度为20～100km。平流层大气流动相对稳定，呈季节性规律运动，平均大气密度约88.9g/m³，气压约5kPa，空气阻尼比较小，同时，尚有足够气动升力效率和静浮力，故可适宜各类飞行器。

平流层飞艇是一种利用静浮力，并结合推进器和综合环控、飞控、能源等分系统，通过升空到达平流层，然后通过高度和姿态控制实现驻空，基于应用载荷，从而实现对地观测、信息中继等，具有重要的应用前景。但是，目前在世界范围内，平流层飞艇仍处于关键技术攻关、瓶颈技术突破、集成技术验证阶段，尚面临众多技术挑战。

由于平流层空气稀薄，空气密度仅约海平面的1/14，浮力极小，因此，国内外为了轻量化，一般采用由轻质材料制成的软式飞艇。软式飞艇设计制作技术难度低、重量轻、尺度相对较小，易于操控、升空和放回。但是，传统软式平流层飞艇在超热超压、承载强度等方面面临挑战，超冷会导致压差低、保形困难、刚度不够，进而，飞艇高度不能有效保持，应用场景受到极大限制。为了克服传统软式平流层飞艇面临的问题，采用刚柔一体结构是一种新思路，科技人员对此进行了有效的探索。但是，刚柔一体结构的设计、制作、集成技术难度很大，总体成本高。因此，平流层飞艇的应用从总体技术到关键技术，国内外该领域科技人员仍在进行各种探索。

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，针对典型软式平流层飞艇，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，导致中芯轴受到较大的压弯作用力，容易失稳，承载力低，安装不便，难以形成整体可行的预张力；且其内外囊体集成困难，外囊体受力协同效果差。

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，类似“体外骨骼”。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。同时，由于“体外骨骼”和内部中芯轴、轮辐形拉索极大增加了结构重量，传力路径不清晰，受力不明确，结构效率低下。

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，整体龙骨的设计、制作、集成难度大，以及外囊体、内囊体的集成和操作控制难度大，目前面临一系列技术挑战。

总之，现有技术中的平流层飞艇，其结构体系的力学特性、设计制造与集成、造价等综合优化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。