采用矢量推力系统调整飞行俯仰姿态的平流层飞艇的制作方法

[0001]
本实用新型涉及飞艇技术领域，具体涉及一种采用矢量推力系统调整飞行俯仰姿态的平流层飞艇。


背景技术：

[0002]
飞艇飞行的姿态包括俯仰和偏航，一般可以通过控制尾翼舵面或改变尾翼舵面的迎风角来调整飞艇的俯仰姿态角。然而，飞艇在平流层飞行时，由于平流层环境空气密度小，设计平流层飞艇时尾翼舵面在海拔20公里高空以 20米/秒空速飞行时舵效作用不大且增加了无用的重量，因此在平流层飞艇上不宜使用尾翼舵面。
[0003]
另外，在低空飞行时，由于空气密度较大，可通过调整飞艇两端的空气副气囊的质量来改变质心。但是由于平流层环境密度小以及太阳辐射热形成的平流层飞艇内的超温超压，设计平流层飞艇时将在白天排出飞艇内的所有空气。因此，高空飞艇一般难以采用通过调整飞艇头尾两端的副气囊空气质量改变飞艇质心和调整飞艇俯仰姿态的方法。现有的改变质心的方法是采用飞艇两端抛沙的方式，沙子越抛越少，不能循环使用。
[0004]
申请号为201811351595.x的中国专利申请公开了一种平流层飞艇姿态调整装置，通过液体在飞艇前后端流动的方式来调整飞艇的俯仰姿态。该装置虽然能够有效地调整平流层环境下飞艇的飞行姿态，但是增加了飞艇的质量。
[0005]
因此，亟需开发一种能够减轻飞艇质量并且稳定调整飞艇飞行姿态的平流层飞艇。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术存在的多个问题，本实用新型提供一种采用矢量推力系统调整飞行俯仰姿态的平流层飞艇，目的在于减轻飞艇质量、减小飞艇振动幅度的同时，能够调整飞艇飞行的俯仰姿态。
[0007]
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种采用矢量推力系统调整飞行俯仰姿态的平流层飞艇，包括：
[0008]
飞艇艇体，包括外囊框架和外囊体；
[0009]
设置在飞艇前部或后部的位于飞艇两侧的侧推力矢量推进系统，包括俯仰螺旋桨；
[0010]
固定支撑杆或固定支撑架，固定支撑杆或固定支撑架水平设置并与飞艇的轴向垂直，至少用于侧推力矢量推进系统与飞艇艇体的外囊框架的连接；
[0011]
俯仰螺旋桨的轴线绕固定支撑杆或固定支撑架轴线旋转，调整飞艇的飞行俯仰姿态。
[0012]
根据本实用新型的一示例实施方式，俯仰螺旋桨的轴线与固定支撑杆或固定支撑架在同一水平面上时，侧推力矢量推进系统为飞艇提供行进的动力。
[0013]
根据本实用新型的一示例实施方式，还包括一对或多对侧向推进系统，每对侧向
推进系统设置在飞艇艇体的两侧，侧向推进系统为飞艇提供行进的动力，固定支撑杆或固定支撑架还用于侧向推进系统与飞艇艇体的外囊框架的连接。
[0014]
根据本实用新型的一示例实施方式，侧向推进系统包括行进螺旋桨和行进动力系统，侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨的直径小于或等于侧向推进系统的行进螺旋桨直径，行进动力系统设置在行进螺旋桨的轴线上并与固定支撑杆或固定支撑架垂直地固定连接，行进动力系统提供行进螺旋桨旋转的动力。
[0015]
根据本实用新型的一示例实施方式，侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨的直径等于侧向推进系统的行进螺旋桨直径或侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨的直径是侧向推进系统的行进螺旋桨直径的61.8％。
[0016]
平流层飞艇的推力系统必须采用大推力大直径的螺旋桨，侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨不宜大于侧向推进系统的行进螺旋桨。如果侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨直径较小，在调整飞艇俯仰姿态时可以减小整个推力系统的振幅，同时也易于支撑。
[0017]
根据本实用新型的一示例实施方式，还包括设置在飞艇尾部的尾部矢量推进系统，包括尾部螺旋桨和尾推力动力系统，尾部螺旋桨的轴线与飞艇的轴向平行，尾推力动力系统在尾部螺旋桨的轴线上并可带动尾部螺旋桨使尾部螺旋桨的轴线绕飞艇尾部轴向线的垂线旋转，调整飞艇的偏航方向。
[0018]
根据本实用新型的一示例实施方式，尾推力动力系统绕飞艇尾部轴向线的垂线旋转的角度为β，-45
°
≤β≤+45
°
。
[0019]
根据本实用新型的一示例实施方式，侧推力矢量推进系统还包括设置在俯仰螺旋桨的轴线上、与固定支撑杆或固定支撑架垂直连接并可绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转的侧推力动力系统，侧推力动力系统为俯仰螺旋桨的旋转提供动力并带动俯仰螺旋桨使俯仰螺旋桨的轴线绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转。
[0020]
根据本实用新型的一示例实施方式，侧推力动力系统绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转角度为θ，-90
°
≤θ≤+90
°
。
[0021]
根据本实用新型的一示例实施方式，θ的范围是-30
°
≤θ≤+30
°
。
[0022]
根据本实用新型的一示例实施方式，平流层飞艇还包括多根支撑杆张紧线，每根支撑杆张紧线一端连接固定支撑杆或固定支撑架，另一端连接外囊框架或连接在外囊体上。
[0023]
根据本实用新型的一示例实施方式，在侧推力动力系统绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转θ角度内，连接侧推力矢量推进系统和飞艇艇体的固定支撑杆或固定支撑架与支撑杆张紧线的夹角其中，h 为俯仰螺旋桨叶片的中心线与固定支撑杆或固定支撑架的距离，r为俯仰螺旋桨的半径，b为固定支撑杆或固定支撑架与支撑杆张紧线交点到侧推力动力系统的距离。
[0024]
根据本实用新型的一示例实施方式，固定支撑杆或固定支撑架和外囊框架均采用碳纤维材质的空心管材或轻合金管材。
[0025]
本实用新型的有益效果是：
[0026]
本实用新型提出了一种采用侧推力矢量推进系统调整飞艇俯仰姿态的平流层飞艇，不仅能够调整飞艇俯仰姿态，还能够减小振幅、减轻飞艇质量，具体的优越性通过以下
几点进行阐述：
[0027]
(1)本实用新型的飞艇采用侧推力矢量推进系统，该系统可以放置在飞艇的前部或后部，通过绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转以控制飞艇飞行的俯仰姿态，在不需要控制俯仰姿态时，侧推力矢量推进系统还可以为飞艇提供行进时的动力。
[0028]
(2)本实用新型的飞艇采用多对侧向推进系统、侧推力矢量推进系统和尾推力系统相结合，能够实现飞艇推进、俯仰和偏航；侧向推进系统采用大推力、大直径的推进系统，为平流层飞艇行进时提供动力；侧推力矢量推进系统提供行进时的动力和控制俯仰姿态；尾推力系统用以控制飞艇的偏航方向。
[0029]
(3)本实用新型通过侧推力矢量推进系统调整飞艇飞行的俯仰角，不需要额外的液体或固体等物体，减轻飞艇质量。
[0030]
(4)本实用新型的固定支撑杆或固定支撑架和飞艇外囊框架均采用碳纤维材质的空心管材或轻合金管材，有效减轻了飞艇的质量。
[0031]
(5)本实用新型的侧推力矢量推进系统的俯仰螺旋桨的直径小于或等于侧向推进系统的行进螺旋桨直径，有效减小了飞艇俯仰时的振幅。
[0032]
(6)本实用新型侧推力动力系统绕固定支撑杆或固定支撑架的轴线旋转角度为θ，足以满足飞艇飞行的俯仰角的范围。
[0033]
(7)本实用新型设置支撑杆张紧线，在不影响侧推力矢量推进系统旋转的情况下，能够加固侧推力矢量推进系统与外囊框架的连接。
附图说明
[0034]
图1是本实用新型飞艇的主视图。
[0035]
图2是本实用新型飞艇的俯视图。
[0036]
图3是侧推力矢量推进系统与飞艇外囊框架的位置关系图。
[0037]
其中，1—侧推力动力系统，2—俯仰螺旋桨，3—固定支撑杆或固定支撑架，3
’
—固定支撑杆或固定支撑架的轴线，4—支撑杆张紧线，5—外囊体， 6—行进螺旋桨，7—行进动力系统，8—尾部螺旋桨，9—尾推力动力系统， 10—外囊框架，θ—侧推力动力系统绕固定支撑杆或固定支撑架旋转的角度，β—尾推力动力系统绕飞艇的轴向的垂线的旋转角度，α—固定支撑杆或固定支撑架与支撑杆张紧线之间的夹角，h—俯仰螺旋桨叶片的中心线与固定支撑杆或固定支撑架的距离，b—固定支撑杆或固定支撑架与支撑杆张紧线交点到侧推力动力系统的轴线的距离，r—俯仰螺旋桨的半径。
具体实施方式
[0038]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本实用新型的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
[0039]
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而省略所述特定细节
中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本实用新型的各方面变得模糊。
[0040]
根据本实用新型的一种实施方式，为了减小改变俯仰姿态时飞艇的振幅同时减小飞艇的质量，提供一种采用侧推力矢量推进系统调整飞艇俯仰姿态的平流层飞艇。如图1-2所示，该平流层飞艇包括飞艇艇体(包括外囊体5、外囊框架10)、侧推力矢量推进系统(俯仰螺旋桨2和侧推力动力系统1)、侧向推进系统(包括行进螺旋桨6和行进动力系统7)、尾部矢量推进系统 (包括尾部螺旋桨8和尾推力动力系统9)、多根固定支撑杆或固定支撑架3 和多根支撑杆张紧线4。其中，侧推力矢量推进系统用于调整飞艇飞行的俯仰角姿态以及提供飞艇飞行时的动力，侧向推进系统用于提供飞艇飞行时的动力，尾部矢量推进系统用于调整飞艇飞行的偏航方向。
[0041]
如图1-2所示，一对侧推力矢量推进系统设置在飞艇前部的飞艇两侧，可以根据实际需要设置侧推力矢量推进系统的数量或设置侧推力矢量推进系统在飞艇后部的飞艇两侧，每个侧推力矢量系统包括俯仰螺旋桨2和俯仰螺旋桨2提供动力的侧推力动力系统1。将侧推力矢量推进系统设置在飞艇前部或后部是为了让侧推力矢量推进系统远离飞艇质心，侧推力矢量推进系统才有足够的力矩改变飞艇的俯仰姿态。如图3所示，固定支撑杆或固定支撑架3水平设置并与飞艇的轴向垂直，固定支撑杆或固定支撑架3的一端与侧推力动力系统1垂直连接，另一端与外囊框架5固定连接。侧推力动力系统1设置在俯仰螺旋桨2的轴线上并可绕固定支撑杆或固定支撑架3的轴线3
’
旋转，在侧推力动力系统1旋转的带动下，俯仰螺旋桨2的轴线绕固定支撑杆或固定支撑架3的轴线3
’
旋转，调整飞艇的飞行俯仰姿态。如图1所示，侧推力动力系统1绕固定支撑杆或固定支撑架3的轴线3
’
旋转角度为θ，以飞艇水平飞行时侧推力动力系统1与固定支撑杆或固定支撑架3在同一水平面上θ的角度为0
°
，侧推力动力系统1旋转θ角的范围是-90
°
≤θ≤+90
ꢀ°
，也可以根据实际需要缩小θ的角度范围至-30
°
≤θ≤+30
°
。飞艇飞行时，在不需要调整俯仰姿态的情况下，可以将θ保持在0
°
，侧推力矢量推进系统为飞艇提供行进的动力。如图3所示，支撑杆张紧线4一端连接固定支撑杆或固定支撑架3，另一端连接外囊框架10或连接在外囊体5上，支撑杆张紧线4与固定支撑杆或固定支撑架3之间的夹角为α。在侧推力动力系统1旋转θ角的范围内，连接侧推力矢量推进系统和飞艇艇体的固定支撑杆或固定支撑架3与支撑杆张紧线4的夹角其中，h为俯仰螺旋桨2叶片的中心线与固定支撑杆或固定支撑架3的距离，固定支撑杆或固定支撑架b为固定支撑杆或固定支撑架3与支撑杆张紧线4交点到侧推力动力系统1的距离，r为俯仰螺旋桨2的半径。
[0042]
如图1-2所示，一对侧向推进系统设置在飞艇后部的飞艇两侧，可以根据实际需要在飞艇两侧设置多对侧向推进系统，每个侧向推进系统包括行进螺旋桨6和行进动力系统7。俯仰螺旋桨2的直径小于或等于行进螺旋桨6 的直径，例如：俯仰螺旋桨2的直径等于行进螺旋桨6的直径、俯仰螺旋桨 2的直径为行进螺旋桨6的直径的61.8％。不同的桨径需要开不同的模具，俯仰螺旋桨2采用和行进螺旋桨6相等的桨径，可以节省经费。而选择俯仰螺旋桨2的直径为行进螺旋桨6的直径的61.8％，可以更加减小整个推力系统振动幅度，也使飞艇更容易支撑螺旋桨。行进动力系统7设置在行进螺旋桨6的轴线上并与固定支撑杆或固定支撑架3垂直地固定连接，行进动力系统7提供行进螺旋桨6旋转的动力。
[0043]
如图1-2所示，尾部矢量推进系统设置在飞艇尾部，包括尾部螺旋桨8 和尾推力动力系统9。尾部螺旋桨8的轴线与飞艇的轴向平行，尾推力动力系统9在尾部螺旋桨8的轴线上并可带动尾部螺旋桨8使尾部螺旋桨8的轴线绕飞艇的轴向的垂线旋转，调整飞艇的偏航方向，当飞艇水平飞行时，飞艇的轴向的垂线为竖直方向。尾推力动力系统9绕飞艇的轴向的垂线旋转的角度为β，-45
°
≤β≤+45
°
。
[0044]
固定支撑杆或固定支撑架3和外囊框架5均采用碳纤维材质的空心管材或轻合金管材，可以减轻飞艇的质量。
[0045]
由此可见，采用本实用新型的飞艇不仅质量轻，还可以任意调整飞艇俯仰姿态，调整俯仰姿态时振幅小。
[0046]
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。