一种浮升一体化飞艇布局的制作方法

1.本发明属于涉及飞艇设计技术领域，涉及一种浮升一体化飞艇布局。


背景技术：

2.飞艇是浮空飞行器家族中的重要成员之一，自1852年第一艘接近实用的有人可操纵飞艇研制成功，至今已有160多年的历史。尽管飞艇的发展几经起伏，但世界各国对飞艇的研究与使用从未停止过，截至目前为止，共建造了近200艘硬式飞艇、100多艘半硬式飞艇、250多艘大中型软式飞艇和不计其数的小型飞艇投入应用，其应用范围在地域上已遍布于六大洲。
3.大型载人飞艇凭借其低动态性和高安全性可用于资源勘测与地理测绘、空中巡线、环境监测、旅游观光等任务；利用其起降场地要求低、复杂条件下灵活运行的能力，可参与应急救援、城市安保、通信中继等任务；利用其安全性，在人群密集地上空飞行执行任务将逐步获得认可(如skyship系列载人飞艇已经取得了澳大利亚民用航空安全局(casa)的完全认证)；同时，随着通用航空的不断发展，载人飞艇已进入高端综合飞行体验、通航作业等部分通用飞机的业务。
4.重载飞艇按总体布局可分为单囊体流线形、浮升一体化(混合式)和新概念飞艇等三种类型。单囊体流线形重载飞艇是基于传统飞艇放大，在系统设备和构件上创新，总体设计、气动布局和飞行控制等技术相对成熟。
5.浮升一体化飞艇结合了传统飞艇和飞机的特点，将传统飞艇的静升力与飞机的动升力两类优点结合起来，既依靠气囊气体产生静升力，又通过囊体和翼面等产生动升力，具有飞行速度快、运载能力强等性能优势。目前，国外大约有20多个重载飞艇的概念方案，主要集中分布在美国、英国、德国、法国、加拿大和澳大利亚等欧美发达国家；国内从事飞艇及相关的研究机构、制造商、运营商、零部件供应商约有50多家，行业并未完全成熟，市场开发程度也不够，总体看，目前国内在浮升一体化飞艇的研制方面尚处于理论阶段。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题：提出一种浮升一体化飞艇布局，以填补目前国内在浮升一体化飞艇的研制方面尚处于理论阶段的空白。
7.本发明的技术方案：
8.一种浮升一体化飞艇布局，包括气囊，气囊内部通过艇体骨架支撑，艇体骨架中设置中央骨架，气囊前端设置头锥，气囊尾部布置四片硬式尾翼，气囊上共布置八台动力装置，其中一台布置在气囊前上部，六台对称布置在气囊左右两侧，一台布置在气囊尾部下方，气囊内部布置16个独立的氦气囊，内充氦气，气囊内部设置驾驶舱，且驾驶舱布置于中央骨架前端，中央骨架上集成任务载荷仓阿和燃油系统。
9.进一步，氦气囊为独立气室，氦气囊间隔层不共用，氦气囊为不规则曲面外形。
10.进一步，燃油系统为燃油箱，燃油箱布置在中央骨架顶部。
11.进一步，驾驶舱布置于中央骨架前部，艇体骨架两个主结构框之间，驾驶舱从左向右依次划分为驾驶区及服务区。
12.进一步，驾驶舱前挡采用大面积透光玻璃，驾驶区地板也采用大面积透光玻璃。
13.进一步，驾驶舱的显示部件包括三台显示器，左仪表板为主飞行显示器，中间仪表板为多功能显示器，右仪表板为货仓监控显示器及任务操纵板。
14.进一步，驾驶区侧面设置登舱门，在服务区中部设置应急舱门兼货仓通道门。
15.进一步，燃油箱内部加若干隔板。
16.本发明的有益效果：
17.本发明提供了一种浮升一体化飞艇布局，相对常规飞艇，其具有载重量大、可操控性强、飞行平稳等优点，在人员与货物运输、特种货物转运、应急救援、吊装作业等方面发挥巨大作用，市场前景广阔。
附图说明
18.图1是本发明飞艇布局外部示意图；
19.图2是本发明飞艇布局侧视图；
20.图3是本发明飞艇布局正视图；
21.图4是本发明飞艇布局俯视图；
22.图5是本发明飞艇布局总体布置图；
23.图6是本发明氦气囊内部布置图；
24.图7是本发明驾驶舱布置图；
25.图8是本发明推进装置布置图；
26.图9是本发明燃油箱布置图；
27.图10是本发明骨架剖视图；
28.图11是动力转向90度垂直起飞性能示意图；
29.图12是飞艇在飞高0m，速度30km/h时纵向响应曲线；
30.图13是飞艇在飞高0m，速度130km/h时纵向响应曲线；
31.图14是飞艇在飞高3000m，速度30km/h时纵向响应曲线；
32.图15是飞艇在飞高3000m，速度130km/h时纵向响应曲线；
33.图16是飞艇在飞高0m，速度30km/h时横航向响应曲线；
34.图17是飞艇在飞高0m，速度130km/h时横航向响应曲线；
35.图18是飞艇在飞高3000m，速度30km/h时横航向响应曲线；
36.图19是飞艇在飞高3000m，速度130km/h时横航向响应曲线；
37.其中，1、气囊，2、艇体骨架，3、中央骨架，4、头锥，5、尾翼，6、动力装置，7、氦气囊，8、驾驶舱，9、燃油箱。
具体实施方式
38.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术
方案有更完整、准确和深入的理解：
39.本发明飞艇以重载飞艇为原型机，采用浮升一体化单囊体布局型式，四片硬式尾翼5布置在气囊1尾部。共布置八台动力装置6，其中一台布置在气囊1前上部，六台布置在气囊1左右两侧，一台布置在气囊1尾部下方；气囊1内部布置16个独立的氦气囊7，内充氦气，为飞艇提供向上的浮力；驾驶舱8、货舱及水箱均布置在气囊1内部。该布局可以为飞艇提供可观的动升力，提高飞艇的有效载荷。浮升一体化飞艇结构与传统飞艇不同，其为硬式或半硬式结构，主要含有艇体骨架2和中央骨架3等硬式骨架，其中内部硬式中央骨架3为飞艇任务载荷、动力系统以及系统设备等提供安装平台。
40.浮升一体化飞艇布局具体结构为，包括气囊1，气囊1内部通过艇体骨架2支撑，艇体骨架2中设置中央骨架3，气囊1前端设置头锥4，气囊1尾部布置四片硬式尾翼5，气囊1上共布置八台动力装置6，其中一台布置在气囊1前上部，六台对称布置在气囊1左右两侧，一台布置在气囊1尾部下方，气囊1内部布置16个独立的氦气囊7，内充氦气，为飞艇提供向上的浮力。由于艇体骨架2穿过其中，氦气囊7设计为不规则曲面外形。每个氦气囊7为独立气室，氦气囊7间隔层不共用，气囊1内部设置驾驶舱8，且驾驶舱8布置于中央骨架3前端，中央骨架3上集成任务载荷仓，任务载荷仓内布置飞艇任务载荷系统，中央骨架3上布置燃油系统，即燃油箱9。
41.飞艇艇体结构主要由骨架(与载荷舱集成)、气囊1、氦气囊7、尾翼5、头锥4、驾驶舱8等部分组成。艇体上布置有推进、综合控制、电源、航电、照明、生命保障和任务等系统等。设计中充分考虑艇上设备的电磁兼容性，确保各系统设备能够正常工作。
42.飞艇布局总体参数如表1所示：
43.表1总体参数表
[0044][0045][0046]
驾驶舱布置：
[0047]
驾驶舱8底部长度为5.4m，宽度为2.5m，布置于中央骨架3前部，两个主结构框之间。根据使用和设计要求，驾驶舱8从左向右依次划分为：驾驶区及服务区。驾驶区位于驾驶舱的左侧，是实现各种功能装载的主舱室，右侧为服务区，舱内可乘坐4人，采用单驾驶形式，副驾驶位置布置旅客座椅，副驾驶旁为货仓管理员位置。考虑到长时间驾驶，可增加一人替换工作，安排在服务区的休息室休息。
[0048]
驾驶舱8内部布置主要参考《民用飞机驾驶舱视野要求》(hb7496-97)、《飞行员人体模板设计和使用要求》(gjb36a-2008)和《飞机座舱几何尺寸》(hb6154-1988)等的规定，布置座椅、驾驶杆、仪表板、发动机操纵台等设备。
[0049]
为满足飞行时的视野要求，驾驶舱8前挡采用大面积透光玻璃。由于驾驶舱8布置在飞艇气囊1内，因此驾驶区地板也采用大面积透光玻璃。
[0050]
驾驶舱8的显示部件包括三台显示器，左仪表板为主飞行显示器(pfd)，中间仪表板为多功能显示器(mfd)，右仪表板为货仓监控显示器及任务操纵板。
[0051]
根据使用模式，服务区可设置卫生间及休息室。为避免观瞻，合理规划，将食品柜与卫生间布置在相互无法直接见到的位置。休息室内设置航空卧铺，分为上下两张床，可同时供两人休息。
[0052]
舱门布置：
[0053]
为保证乘员正常、应急情况进出驾驶舱8方便和安全，并考虑到飞艇的使用维护性，在驾驶区侧面设置登舱门，舱门尺寸为1500mm
×
600mm。在服务区中部设置应急舱门兼货仓通道门，舱门尺寸为1500mm
×
550mm。
[0054]
动力燃油设备布置：
[0055]
全艇共布置八台动力装置6，1号-6号动力装置6布置在气囊1两侧，7号动力装置6布置在气囊1前上部，8号动力装置6布置在气囊1后下部，1-6号动力装置6为飞艇提供向前推力，7-8号动力装置6提供偏航力矩。
[0056]
燃油系统载油量为1个10000kg的燃油箱9，为减少燃油消耗对全艇重心位置的影响，将燃油箱9布置于中央骨架3中间层的中部。同时，为防止燃油箱9中燃油的晃动，在燃油箱9内部加若干隔板。
[0057]
任务设备布置：
[0058]
骨架是飞艇的主承力结构，共分三层，用以支撑飞艇的基本外形。艇体骨架布置在囊体下部，为方便载货作业，中央骨架3上还集成了内置驾驶舱及载荷舱。载荷舱为三角结构，其与飞艇骨架融合设计，共同承载。
[0059]
顶部框架布置此次主要的任务设备，12个存储桶，用于吊装木材。中部框架为燃油箱9放置位置，8个独立的水箱布置在承力三角架的底部，共可容纳60m3以上的水。
[0060]
飞艇布局重量分配表如表2所示：
[0061]
表2飞艇重量指标分配
[0062]
[0063][0064]
对本发明的浮生一体化飞艇布局进行气动分析：
[0065]
气动特性初步分析通过风洞试验与工程估算完成，其中：静导数、舵效通过风洞试验给出；铰链力矩、动导数采用工程估算方法给出。
[0066]
缆绳等附属物对阻力系数有较大影响，但风洞试验中未考虑缆绳等的影响，因此本报告对风洞试验的阻力系数进行了缆绳阻力系数修正，按照《飞机设计手册第六册》圆柱杆阻力系数章节(p301)进行修正。气动特性结果按照欧美系坐标给出，纵向静导数按照风
轴系给出，横向静导数按照体轴系给出。
[0067]
1)静导数
[0068]
表3升阻特性
[0069]
迎角(deg)c
dcl-160.0913-0.3904-120.0545-0.2705-80.0347-0.1575-40.0255-0.067000.02270.005540.02580.067680.03550.1503120.05690.2615160.09440.3812200.14480.4933
[0070]
表4纵向静导数
[0071]
α0c
d0clα
(1/deg)c
m0cmα
(1/deg)-0.30.02280.0231-0.01310.0072
[0072]
表5横航向静导数
[0073]cyβc1βcnβ-0.00580.0002-0.0029
[0074]
注：表中数据单位为(1/deg)，参考面积为参考长度为[lb]
[0075]
2)其他导数
[0076]
由于通过cfd进行铰链力矩、舵效、动导数计算需要花费较长的时间，因此舵效、铰链力矩、动导数的计算采用工程估算方法进行，计算方法参考《飞机设计手册第六册》第2篇，同时参考同类型的飞艇风洞试验结果。
[0077]
表6舵效导数
[0078][0079]
注：表中数据单位为[1/rad]，参考面积为参考长度为[lb]
[0080]
表7动导数
[0081][0082]
注：表中数据单位为[1/rad]，参考量[s,l
sh
,l
sh
/2v
∞
]。
[0083]
表8铰链力矩系数
[0084]chδchα-0.0005-0.0002
[0085]
注：表中单位为[1/deg]，参考面积为[sc]，参考长度为[bc]。
[0086]
对本发明的浮生一体化飞艇布局进行性能计算分析：
[0087]
1)最大平飞速度
[0088]
分别计算了中部6台发动机状态分别为1.0、0.4，飞行高度分别为0、500m和1000m时的平飞速度，计算结果见下表。
[0089]
表9平飞速度
[0090][0091]
由计算结果可知，中部6发动机状态m＝1时，飞艇的最大平飞速度可达到171km/h以上，满足最大平飞速度130km/h的指标要求。
[0092]
2)垂直起飞性能
[0093]
中部4台发动机动力转向90
°
垂直起飞时，当起飞净重为0、6000kg，计算结果见表10，如图11为动力转向90度垂直起飞性能示意图。
[0094]
表10垂直起飞性能(h＝0)
[0095][0096]
3)动力不转向定常爬升性能
[0097]
表11动力不转向定常爬升性能(m＝1，净重6000kg)
[0098][0099]
表12动力不转向定常爬升/下滑性能(m＝1，净重0kg)
[0100][0101][0102]
表13动力不转向定常爬升/下滑性能(m＝0.4，净重0kg)
[0103][0104]
4)航程航时
[0105]
飞艇依靠中部6台电动机进行巡航，单台发动机状态在0.3～1.0时，计算技术航程航时见表14。在飞行高度1000m处，最大航时为78.67h，最大航程为8902.29km。
[0106]
表14 6电动机不同电力需求状态、不同高度下的技术航程和航时
[0107][0108]
根据计算结果可知，能够满足本飞艇设计航程的要求。
[0109]
对本发明的浮生一体化飞艇布局进行操纵性和稳定性分析：
[0110]
对浮升一体化飞艇在不同高度、速度下的纵向静平衡特性和动稳定特性进行计算，给出了相应状态下的特征根，分析其操纵性和稳定性。此外，在给定高度、速度情况下，按照飞艇标准《飞艇适航标准》ac-21-09给出的突风7.62m/s，绘制了纵向各个参数受突风扰动后的动态响应曲线，分析其受扰动后恢复能力。
[0111]
1)纵向配平特性
[0112]
飞艇在飞高0m、1000m、1500m、3000m平飞状态下，速度30km/h～130km/h，通过迭代计算求得攻角、舵偏、发动机偏角，见表15。
[0113]
表15静平衡特性计算结果
[0114]
[0115]
2)动稳定特性
[0116]
根据线化方程，对飞艇动稳定性进行计算，计算结果见下表。
[0117]
表16飞艇纵向特征根
[0118][0119][0120]
表17飞艇横向特征根
[0121][0122][0123]
飞艇飞行高度为0m、3000m，飞行速度为30km/h、130km/h时，给定突风扰动7.62m/s时，绘制飞艇纵向各参数在该扰动下的动态响应曲线，如图12-15所示，以及绘制飞艇横航向各参数在该扰动下的动态响应曲线，如图16-19所示。
[0124]
综上，通过上述过程的分析计算，可以看出：
[0125]
1)飞艇在各个高度，速度大于30km/h平飞时，其舵偏角、迎角均满足设计要求，当速度小于30km/h时，其舵效减小，需要通过电机偏转配平其纵向姿态；
[0126]
2)当速度大于60km/h时，其舵偏有足够的操纵裕度满足飞艇飞行要求；
[0127]
3)飞艇在各个飞行高度、速度下，其纵向特征根均出现实部为正，表明飞艇在受扰动后各参数发散，根据图中结果，飞艇在低速飞行时，发散较慢，高速度飞行时，发散较快，建议增加增稳控制系统改善其纵向稳定性。
[0128]
4)飞艇在各个高度、速度下，其横航向特征根实部均为负，表明其荷兰滚模态、螺
旋模态、滚转模态受扰动后收敛，其横航向是动稳定的。
[0129]
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，包括气囊，气囊内部通过艇体骨架支撑，艇体骨架中设置中央骨架，气囊前端设置头锥，气囊尾部布置四片硬式尾翼，气囊上共布置八台动力装置，其中一台布置在气囊前上部，六台对称布置在气囊左右两侧，一台布置在气囊尾部下方，气囊内部布置16个独立的氦气囊，内充氦气，气囊内部设置驾驶舱，且驾驶舱布置于中央骨架前端，中央骨架上集成任务载荷仓阿和燃油系统。2.根据权利要求1所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，氦气囊为独立气室，氦气囊间隔层不共用，氦气囊为不规则曲面外形。3.根据权利要求1所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，燃油系统为燃油箱，燃油箱布置在中央骨架顶部。4.根据权利要求1所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，驾驶舱布置于中央骨架前部，艇体骨架两个主结构框之间，驾驶舱从左向右依次划分为驾驶区及服务区。5.根据权利要求4所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，驾驶舱前挡采用大面积透光玻璃，驾驶区地板也采用大面积透光玻璃。6.根据权利要求4所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，驾驶舱的显示部件包括三台显示器，左仪表板为主飞行显示器，中间仪表板为多功能显示器，右仪表板为货仓监控显示器及任务操纵板。7.根据权利要求4所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，驾驶区侧面设置登舱门，在服务区中部设置应急舱门兼货仓通道门。8.根据权利要求3所述的一种浮升一体化飞艇布局，其特征在于，燃油箱内部加若干隔板。

技术总结
本发明属于涉及飞艇设计技术领域，涉及一种浮升一体化飞艇布局，包括气囊，气囊内部通过艇体骨架支撑，艇体骨架中设置中央骨架，气囊前端设置头锥，气囊尾部布置四片硬式尾翼，气囊上共布置八台动力装置，其中一台布置在气囊前上部，六台对称布置在气囊左右两侧，一台布置在气囊尾部下方，气囊内部布置16个独立的氦气囊，内充氦气，气囊内部设置驾驶舱，且驾驶舱布置于中央骨架前端，中央骨架上集成任务载荷仓，任务载荷仓内布置飞艇任务载荷系统，中央骨架上布置燃油系统。央骨架上布置燃油系统。央骨架上布置燃油系统。


技术研发人员：黄龙太 尹涛 徐松顶 杨天祥 张华 熊伟 张家飞
受保护的技术使用者：中国特种飞行器研究所
技术研发日：2022.11.27
技术公布日：2023/5/12