压力气管结构在非常规飞艇设计上的应用.docx

压力气管结构在非常规飞艇设计上的应用Domenico FodaroUniversity of Rome “La Sapienza”, Italy, I- 00100（20170707LEI译）摘要本论文研究了充气增压管结构在透镜形、三角形或翼形艇体飞艇中的设计、制造的工作。比较了当前可采用的充气增压结构方案，评估了可能的收益与在建造和某些飞艇飞行阶段性能方面费用的平衡。该类充气增压结构由可通过压力增硬的中空管道组成，管道会固定在飞艇气囊上：用该方法飞艇结构将变得更加刚硬。该设计创新可以减小结构质量，还有可能提高非常规飞艇的动力学和机械特性。同时，由于该类充气增压结构简单，在制造和使作方面的难点是有限度的。术语ra = air density 空气密度rhe = helium density 氦气密度Cp = pressure coefficient 压力系数P a = air pressure 空气压力DPstat = contribute to internal stagnation pressure 内部滞止压力DP aer = contribute to internal aerodynamic pressure 内部空气动压DP hyd = contribute to internal hydrostatic pressure 内部静压P = internal value pressure 内部压力值Pp = internal value pressure of tube 管内压力值D = maximum diameter of envelope cross section 最大气囊截面直径Rc = radius of principal curvature circumferential 主要周向曲率半径Rl = radius of principal curvature longitudinal 主要径向曲率半径Re = radius of cross envelope section 气囊横截面半径Rp = radius of tube cross section 管道横截面半径h = operating height (quota) 工作高度L = length of the envelope 气囊长度V = envelope volume 气囊体积g = acceleration of gravity 重力加速度u = envelope radial displacement 气囊径向位移c= envelope stretching circumferential 气囊周向伸长应变l = envelope stretching longitudinal 气囊纵向伸长应变c = envelope circumferential stress 气囊周长应力c = envelope longitudinal stress 气囊纵向应力p= tubes longitudinal stress 管道纵向应力= envelope Poisson coefficient 气囊泊松系数E = Young module 杨氏模量Nc = Resultant of circumferential stresses pressure load 周向压力载荷应力结果Nl = Resultant of longitudinal stresses pressure load 纵向压力载荷应力结果n p = number of “tubes” used in pneumatic structure 气管结构中的管道数p= Resistant area of tubes cross section 管道截面阻力面积I 概述本文旨在研究可能提升软式飞艇性能的方法，如更大盘旋高度、更大的运货能力的更长的飞艇时间。软式常规飞艇囊体的几何形状通常通一个旋旋实体获得,该实体由一个几何曲线(通常为2种椭圆)围绕一根纵轴(旋转轴)旋转而获得。常规飞艇内部没有硬式结构，在各种工作条件下，通过一个有限的内部超压来维持其“雪茄”形状。内压值是随着海拔高度的变化通过内部气袋（副气囊）控制的。副气囊随着飞艇飞行高度的增加而减小，以补偿氦气体积的增加。随着高度的变化内压值几乎保持恒值，以便支撑起悬挂到飞艇囊体顶部的吊舱、马达和负载的载荷。通过内部绳子结到囊体的顶部分散和和传递重量载荷，软式飞艇结构简化了，但性能受到限制。因为大气压力随海拔高度而减小，在高度大于设计时飞艇的内部超压可能危及囊体的完整性。飞艇工作范围为5-10000米，起飞时仅充部分氦气，对于更大的海拔高度飞艇甚至打开一侧以便于气体流出。采用一种类似于机翼的几何形状有可能构思一种非常规飞艇，通过空气动力学负载支撑部分载荷。飞艇的横截面不再是圆的，而近似于椭圆。对于非常规飞艇,由压力产生的应力能在囊体上产生明显的变形。为了保持期望的的飞艇气动力形状，因而强制使作内部结构。为了减小压力的目标，我们提出了使作圆柱（管状的）原理的另一种内部结构，其承受压力远大于囊体工作压力。所研究的气体管道能够胶接到飞艇囊体上，所以结触点的局部位移与囊体相同（如下图1）。图1 由充压气管结构增强的飞艇几何形状下一段将针对常规和非常规的、管道增强飞艇两种情况进行压力与应力对比，同时将研究发现应用到一个简单的试验中。II. 压力负载的应力估算作用在像一个旋转实体产生的气囊上的压力产生的应力总是使气囊伸展。对于常规飞艇，当弯曲半径保持恒定时，沿横截面应力是恒定的。因此。压力增加体积，但是相关的变形并不改变几何形状（他们在飞艇的特征维度之间保持恒定的现有关系）。对于非常规飞艇，对于非常规飞艇，其增压囊体形状不是由旋转表面获得，压力沿限制截面外形的曲线变化，变化为局部曲线半径的函数（随着曲率半径的增长而增加）。随着压力的变化，囊体的显著变形。因此，因此，非常规外形飞艇应当包含一个内部结构沿纵向单元构造，称为“内部隔片”，沿水平纵向平面两相对点对称地联接。内部隔片，吸收部分负载（隔片上的应力是对称相反并相互抵消的）可以保持恒定的应力值。 内部超压是内部气体的压力值与飞艇飞行高度上的外部压力值之差，一旦飞艇要求的性能已知，可以在海平面上计算出。空气与氦气的密度差（ra-rhe）和压力差（pa-phe）随海拔高度h的增加保持恒定。升力气体氦He的体积随高度增加直到充满整个副气囊的体积（在所谓的“压力高度”，定义为最大许可压力达到的海拔高度）。超压这个压力高度，飞艇气囊承受的张应力会高于设计值，可能撕裂气囊。对于常规飞艇，内部压力值的计算是基于飞艇工作期间能够达到的动压力与静压力的值。具体上，根据给定的飞艇飞行速度V，驻点压力值由下列关系提供：Pstat=1.1512aV2式中1.15是经过周密考虑的系数，对于软式飞艇，是经过细致的专业人员的飞行验证的。相似地，在给定高度上的空气动力为：Paer=12aV2Cp系数Cp假定范围为0.3到0.35。静压的贡献度，在直径最大处并以气囊底部为参照的静压由下式获得：Phyd=(a-he)gD2飞艇的内部压力为上述各项之和，P=Pstat+Paer+Phyd计算压力提供了估算周向应力行为的方法，通过考虑囊布的张力值，当涉及到材料的厚度和重量时，充许更便利的实现选择。对于纵向负载的计算（沿子午线），空气动力矩与内压值相加。相应的值可以认为是由垂直阵风产生的，垂直阵风速度Um=10m/s，而鉴定规范提供了更适当的计算关系，它是阵风特征参数、飞艇的尺度和速度的函数。充压薄壳的周向和纵向张力值可以应用薄壳理论获得。对于承受压力P的薄壳结构元，有：NcRc+NlRl=P (1)式中，Nc，Rc，分别是结构元的周向单位长度的环向应力结果（sct,t 为结构元的厚度）和环向曲率半径；Nl,Rl分别是结构元的纵向单位长度的应力结果和纵向曲率半径。由充压结构元的平衡方程有：Nl=PRc2 (2)由关系式（1）和（2）确定的应力值来源于气囊的几何特征和压力值。环向负载的结果值可由（1）式和（2）式表达出，如下其值依赖开囊体的几何，在球形气囊中与纵向负载一致，Nc=Nl；而假设在圆柱形气囊条件下其值则为两倍，Nc=2Nl。对于常规飞艇具有圆截面，飞艇长度与最大截面的直径相关联，LD3，环向负载约为纵向负载的两倍（接近1.65倍的值）。考虑气囊通地充压结构（气压管道）增强，利用代换方法重写前面的方程。环向伸张可表达如下：式中，u代表系统中的径向位移，主坐标中特征点上。类似地，囊壳的纵向变形能够得到，等于作为内部结构的管道上产生的：如果气压管道的径向变形忽略，则公式是适合的。充压气囊与气压管结构平衡方程如下：关系式（4）、（5）、（6）表达了由于飞艇气囊内压负载、气压管部件纵向张力产生的纵向和环向张力值的关系。利用关系统式（6），最后获得如下结果，表明由于存在气压管结构，减小了张力值的数量：式中PP是用于充气管的内压。当它与气囊压力值减小时，有如下式：III 试验案例前述结果应用于US-LTA 138S飞艇模型作为一个案例。US LTA Model 138S是一艘充氦飞艇，长约48.8米，氦容积2908立方米。可使作载荷达到1367千克，速度超过90千米每小时，在多个任务配置中能容纳多种设备与人员的组合。飞艇138S由3个主要部分组成：充氦外囊体（“气囊”），固定尾翼面（“尾翼”）和控制舱。138S是一艘没有维形的内部框架或支撑的软式飞艇。气囊内的氦气压力使它张紧和刚硬并提供结构用来使飞艇在空气中以相对高速运动时气囊低抗风/空气的负载。总体尺寸长度：48.8m宽度：12.7m高度（机轮到顶）：17.3m气囊尺寸体积：2908m3表面积：1560m2长度：48.2m最大直径：12.7长细比：3.8最大截面：（来自理论图）19.3m浮心：（来自理论图）22.0m考虑以前的数据来自报告5基于下列样本假定，用本文的方法改理设计：气囊内部超压P100N/m2管道压力值PP500 N/m2框架中的管道数目8管道半径Rp0.4m 气囊压力值能够减少15%从初始100N/m2具体如下：式中6.35米是气囊最大直径的一半值。IV结论本文表现了在软式飞艇中应用管道部件构成内部气压管结构的优点。首先，管道提供了一种内部结构，用空气增压，能够增加软式飞艇气囊的刚度。如已表明的那样，明显减少了飞艇的内部压力，从而减少了为了保持设计的几何外形的压力负载。其二，气压管的使用，减少了气囊内部氦气压力，限制了因为渗透性的气体损失，最终增加了飞艇的留空时间。此外，内部气压管结构通过限制气囊外形改变，使软式飞艇的设计产生了通过空气动力承载部分负载有能力。ReferencesElectronic Publications1 “AIRWORTHINESS REQUIREMENTS FOR TRANSPORT CATEGORY AIRSHIPS”, Civil Aviation AuthoritiesLuftfahrt-Bundesamt of Germany and Rijksluchtvaartdienst of The Netherlands , March 2000, URL:/aircraft/air_cert/design_approvals/airships/airships_regs/media/aceAirshipTARIssue1.pdf.2 “AIRSHIP DESIGN CRITERIA”, U.S. DEPARTMENT OF TRANSPORTATION FEDERAL AVIATIONADMINISTRATION, NO. FAA-P-8110-2, URL: .tw/big5/download/fsd/FAA-P-8110-2chg2.pdf.3 Joseph B. Mueller and Michael A. Paluszek, “Development of an Aerodynamic Model and Control Law Design for a HighAltitude Airship”, URL: /pdfs/papers/aiaa_uav_2004_ltav.pdf4 “Airship Envelope and Branding Options”, Airship Solutions, URL: .au.5 “US LTA AIRSHIP MODEL 138S SPECIFICATIONS”, US LTA Solutions, URL: /model138.html.6 “The Skycat”,World SkyCat Ltd., URL: /images/SkyCat.pdf.7 Tim Miller and Mathias Mandel, “Airship Envelopes: Req