一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局的制作方法

1.本发明涉及汽艇技术领域，特别涉及一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局。


背景技术：

2.临近空间是航空器飞行高度与航天器轨道高度的空天结合区(18km～ 100km)，以东西风为主、基本不存在天气现象，尚不属于世界国家领空管理领域，具有独特的环境优势和巨大的潜在军民应用效能，是各国争相开发、利用空间领域，具有重要的战略与产业价值。
3.平流层飞艇正是利用临近空间20km高度附近太阳能量充足、环境平稳等自然环境条件，通过静浮力实现“升、驻、返”的浮空飞行器，以其大载荷、定点/区域驻空、高使用效费比等特点在高分辨率对地观测、区域侦察监视、目标预警探测、战场环境探测、电子侦察对抗、高空通信中继能力等方面具有不可替代的优势和作用。
4.平流层飞艇是涉及材料、结构、能源、动力、控制等多领域多学科交叉耦合复杂系统，受限于总体、材料强度密度、能源效率与比能量、动力功率密度及推重比等技术发展水平，其设计过程始终在“浮重平衡、动阻平衡、能源平衡、超热超压闭环”的矛盾与统一中寻求折中点，导致现有的平流层飞艇技术实现方案要求地面发放环境风速小于5m/s、升空过程晴空无云、长期驻空高度内环境风速小于10m/s的苛刻要求，实际应用中只能通过气象预报结果选择合适的气象窗口才能实现安全使用出勤，但执行任务效果仍受限于气象预报的精度与置信度存在较大的不确定性，全年的任务出勤率偏低，如在低纬度11月～4月、中纬度6月～8月期间存在满足条件的特定气象窗口，无法做到“即用即放”产品形态，应用推广价值较弱。
5.因此，如何提供一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局，解决现有飞艇全年任务出勤率偏低的技术问题。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局，主囊体、多个空气囊、动力推进装置、矢量转向装置及四个尾翼，
8.主囊体为双椭圆母线旋成体构型；
9.多个空气囊均置于主囊体内部；
10.动力推进装置固定在主囊体的外周侧；
11.矢量转向装置固定在主囊体对应其飞行方向的前端，
12.四个尾翼呈x型布置固定在主囊体对应其飞行方向的后端，结合双椭圆母线旋成体构型构成组合气动布局设计。
13.本发明的有益效果是：通过将主囊体设计成双椭圆母线旋成体构型可以实现整艇
低阻特性，利用“x型”尾翼高升阻比特性提供恢复力矩将整艇气动压心移至体心之后3％～5％，使得纵向俯仰姿态气动特性在全攻角范围动、静稳定，横向偏航姿态气动特性在
±
90
°
侧滑角范围内动、静稳定，横向滚转姿态气动特征在
±
90
°
攻角与侧滑角范围内动、静稳定，应用于高速或高抗风动态飞行过程中，该气动布局使整艇飞行姿态稳定，匹配平流层环境水平风特征，结合侧向合速度基本为零控制设计使飞艇始终处于小攻角小侧滑低阻高效飞行姿态，且具备自主迎风能力。
14.矢量转向装置布设在艇首构成多通道高效控制布局设计，结合动力布局白天采用主辅推进全功率输出满足高抗风能力需求、夜晚采用辅助推进全功率输出匹配抗风供能能力需求，使得动力推进装置全寿命周期均工作在额定功率工况附近，高效、安全可靠；航向矢量转向装置安装在艇首可以均衡侧向力产生的横向速度与其偏航力矩产生的横向速度是同方向，有助于提高偏航控制的操纵效率，形成了前向、侧向、偏航三通道独立控制输出，匹配气动稳定布局设计，满足飞艇区域驻留、定点驻空、航线巡航任务飞行模式需求。
15.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
16.进一步，还包括艇身辅助支撑机构，艇身辅助支撑机构包括环向骨架、纵向骨架和张力索绳，环向骨架沿主囊体的环向固定在主囊体的内表面；纵向骨架沿主囊体的纵向固定在主囊体的内表面；张力索绳包括多根绳索，多个绳索的一端均布置于环向骨架的圆心且相互之间锁紧固定，另一端间隔固定在环向骨架内侧。
17.采用上述进一步的有益效果是：艇身辅助支撑机构可以降低主囊体应力分布及维形压力水平，承担高抗风条件下的气动载荷，提高动力推进装置安装的可靠性、应力传递的均布性。
18.进一步，环向骨架和张力索绳均为平行布置的2～8个且沿主囊体的纵向分布；纵向骨架为3～6个且沿主囊体的环向分布。
19.进一步，主囊体的前长半轴与后长半轴比0.5～0.8、整体长度100m～ 130m、最大截面直径30m～40m。
20.进一步，动力推进装置采用分布式自抗扭动力布局设计，其包括主动力推进装置和辅助动力推进装置，主动力推进装置包括两个螺旋桨一，两个螺旋桨一均固定在主囊体水平重心截面的上前部且沿主囊体纵向对称布置；辅助推进装置包括两个螺旋桨二，两个螺旋桨二均固定在主囊体水平重心截面的下后部且沿主囊体纵向对称布置。
21.采用上述进一步的有益效果是：主推进产生的低头力矩和辅助推进产生的抬头力矩基本相等。
22.进一步，螺旋桨一和螺旋桨二均采用正反桨布局，
23.采用上述进一步的有益效果是：正反桨布局可以相互抵消滚转扭矩的影响。
24.进一步，多个空气囊的体积为主囊体体积的85％～95％。
25.进一步，四个尾翼的前缘后掠角α10～30
°
、后缘后掠角β0～40
°
、展弦比1～2、气动作用面积为主囊体体积的2％～4％。
26.采用上述进一步的有益效果是：该结构可以为飞艇提供良好的气动特性及操纵特性。
27.进一步，还包括加热带、防结冰涂层或者防结冰添加剂，加热带缝制在主囊体的外表面；防结冰涂层或者防结冰添加剂喷涂在主囊体的外表面。
28.采用上述进一步的有益效果是：主囊体的外表面缝制加热带、喷涂防结冰涂层或者喷涂防结冰添加剂，可以克服飞艇升空环境湿度过大结冰增重无法出勤困难。
29.进一步，还包括拉袢和v型绳索，拉袢一体连接在主囊体的外周侧且为 u形结构；绳索的两端均固定在地面上且其中端穿过拉袢。
30.进一步，拉袢和v型绳索均为多个。
31.采用上述进一步的有益效果是：通过在艇身外周侧布设拉袢，将艇体受力分散转移至艇身辅助支撑机构，使整艇形成地面5级抗侧风约束能力，切割v型绳索可实现安全放飞。
32.本发明聚焦现有技术方案弊端，采用组合气动布局、分布式自抗扭动力布局、多通道高效控制布局等综合飞行布局、主囊体表面防结冰功能及分布式约束承力拉袢设计，配合艇身辅助支撑机构实现5级地面风速、80％升空湿度、20m/s长期抗风及30m/s短时抗风飞行包络能力下的平台承力稳定及安全可靠，能够基本覆盖中低纬度19km～21km平流层及地面放飞风场等环境包络，具备全年90％以上任务出勤率、基本实现“即用即放”应用模式目标。
附图说明
33.图1为本发明一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局透视立体结构示意图；
34.图2为本发明一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局底面约束状态结构示意图；
35.图3为本发明一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局中矢量转向装置局部结构放大结构示意图；
36.图4为本发明一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局中尾翼结构示意图。
37.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
38.1、主囊体，2、空气囊，3、动力推进装置，31、螺旋桨一，32、螺旋桨二，4、矢量转向装置，5、尾翼，6、艇身辅助支撑机构，61、环向骨架， 62、纵向骨架，63、张力绳索，7、拉袢，8、v型绳索。
具体实施方式
39.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
40.如图1所示，一种高出勤率平流层飞艇综合飞行布局，主囊体1、多个空气囊2、动力推进装置3、矢量转向装置4及四个尾翼5，
41.主囊体1为双椭圆母线旋成体构型；
42.多个空气囊2均置于主囊体1内部；
43.动力推进装置3固定在主囊体1的外周侧；
44.矢量转向装置4固定在主囊体1对应其飞行方向的前端；
45.四个尾翼5呈x型布置固定在主囊体1对应其飞行方向的后端。
46.在一些具体实施例中，还包括艇身辅助支撑机构6，艇身辅助支撑机构 6包括环向骨架61、纵向骨架62和张力索绳63，环向骨架61沿主囊体1 的环向固定在主囊体1的内表面；纵向骨架62沿主囊体1的纵向固定在主囊体1的内表面；张力索绳63包括多根绳索，多个
绳索的一端均布置于环向骨架61的圆心且相互之间锁紧固定，另一端间隔固定在环向骨架61内侧。
47.在一些具体实施例中，环向骨架61和张力索绳63均为平行布置的2～8 个且沿主囊体1的纵向分布；纵向骨架62为3～6个且沿主囊体1的环向分布。
48.在一些具体实施例中，主囊体1的前长半轴与后长半轴比0.5～0.8、整体长度100m～130m、最大截面直径30m～40m。
49.在一些具体实施例中，动力推进装置3包括主动力推进装置31和辅助动力推进装置32，主动力推进装置31包括两个螺旋桨一，两个螺旋桨一均固定在主囊体1水平重心截面的上前部且沿主囊体1纵向对称布置；辅助推进装置32包括两个螺旋桨二，两个螺旋桨二均固定在主囊体1水平重心截面的下后部且沿主囊体1纵向对称布置。
50.具体地，动力推进装置3采用电机减驱或直驱螺旋桨提供推力输出形式、螺旋桨为定桨距或变桨距；主动力推进功率采用10kw～15kw、匹配6m～7m 桨，辅助动力推进采用2kw～5kw、匹配2m～4m桨，与主囊体1重心水平截面的距离与其输出推力成反比；
51.在一些具体实施例中，矢量转向装置4安装在艇首可以均衡侧向力产生的横向速度与其偏航力矩产生的横向速度是同方向，有助于提高偏航控制的操纵效率，形成了前向、侧向、偏航三通道独立控制输出，匹配气动稳定布局设计，满足飞艇区域驻留、定点驻空、航线巡航任务飞行模式需求。
52.具体地，矢量转向装置4采用2kw～5kw电机减驱匹配2m～4m螺旋桨，通过齿轮换向实现
±
60
°
航向偏转，利用艇首至重心的长力臂实现航向高效操纵。
53.在一些具体实施例中，多个空气囊2的体积可以为主囊体1体积的85％～ 95％。
54.在一些具体实施例中，四个尾翼5的前缘后掠角α10～30
°
、后缘后掠角β0～40
°
、展弦比1～2、气动作用面积为主囊体1体积的2％～4％。
55.在一些具体实施例中，还包括加热带、防结冰涂层或者防结冰添加剂，加热带缝制在主囊体1的外表面；防结冰涂层或者防结冰添加剂喷涂在主囊体1的外表面。
56.在一些具体实施例中，还包括拉袢7和v型绳索8，拉袢7一体连接在主囊体1的外周侧且为u形结构；绳索的两端均固定在地面上且其中端穿过拉袢7。
57.在一些具体实施例中，拉袢7和v型绳索8均为多个。
58.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。