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廣州市譜源氣體有限公司
氦氣飛艇的應用及設計方案
2009-12-25 9:25:00
"希望號"飛艇設計書
一,飛艇在救災中的作用
年初的冰雪給人民帶來的災害才剛平息,四川的汶川大地震又在傷口上添上更為沉重的一擊.我們無法阻止災難的發生,但是我們有能力減少災害帶來的傷害.只有不斷發展完善救災體系,裝備有效的救災工具,才能在災害發生時,快速有效的應對.接踵而至的兩次重大災害,使得探索研發新式交通運輸救災工具的責任和使命更加緊迫.
在汶川大地震發生后,一場生死大救援瞬時展開.但在與災害的頑強斗爭中,我們遇到了抗震救災中最嚴重的瓶頸問題——災區地形險峻,道路中斷,氣候條件惡劣,給救援運輸帶來了異常的困難.
地震發生后,災區道路被山體滑坡嚴重堵塞或已遭地震沖擊波破壞,運輸車輛和大型挖掘機械無法前行,救援遇到了極大的困難,交通問題嚴重威脅著災區人民的生命安全.在年初的冰雪災害中,同樣也是因為交通問題,給救災帶來了極大的困難,大量的人員和物資滯留途中.直升機和大型運輸機對氣候條件要求很高,需要場地起降,而且運輸能力及其有限,救災作用受到各方面條件的嚴重制約.
災害發生后,在救援中反映出我國的交通運輸體系存在著一定的不足:交通過于依賴公路,鐵路,機場等基礎設施,受自然條件影響較大,缺乏互補性, 一旦依賴的條件被毀,必將制約我們在自然災害,戰爭等突發事件中的緊急行動.我們必須設法改善我國的交通運輸體系,以減少自然災害或戰爭造成的嚴重困難和損失.
救災呼喚新的交通工具.有沒有一種可以飛越地理障礙,有效載荷更大,功能更多,更安全,更經濟,運動自由度更大的運輸方式
答案是肯定的,那就是新型氦氣飛艇.為中國救援隊而設計的救災專用設備"希望號"根據時代的需要應運而生了.
二,"希望號"的具體設計
1,硬式艇囊
"希望號"的外形由剛性骨架保持,外罩由特殊材料形成外蒙布或由輕金屬皮包圍保持飛艇的整個形狀;在艇體骨架內放置一系列密封的浮升氣體小氣囊.動力裝置,操作系統,乘客和機組的艙室設置在飛艇剛性骨架的主結構上.不管艇囊充氣與否,飛艇的外部形狀保持不變.
艇囊蒙皮采用智能納米材料結構.該機構結合了納米復合材料輕質,強度高等特點,還具有智能材料的自診斷,自修復及自適應能力.智能表層(Smart Skin,也稱智能蒙皮)是航空航天領域重點研究內容之一它是將各種傳感器,驅動器集成在飛行器的表層中.其功能為:使飛行器自動檢測并自動適應周圍環境的變化.另外,對于材料表面及內部的損傷,缺陷,噪聲和振動等,智能表層具有自診斷,自修復和自適應的功能.
由主體材料,傳感元件,驅動元件,控制系統組成的智能材料結構,其作用已由結構用途為主逐步向多功能,智能化方向發展,是賦予結構健康自診斷,環境自適應和損傷自愈合功能的一類仿生結構系統.從解剖學的角度來看,智能材料結構相當于一個由骨骼,神經,肌肉和大腦組成的系統.其中,主體材料相當于人體的骨骼,它的作用與一般的材料結構相同,例如承受載荷等.而融于主體材料中的傳感元件相當于神經系統,驅動元件相當于人體的肌肉,處理和控制系統可視為人的大腦.
國內南京航空航天大學,重慶大學,華中理工大學,哈爾濱工業大學等單位在結構健康監測的研究中也取得許多成果,如自適應復合材料,光纖智能結構的自診斷,自修復,利用聲發射技術和小波分析,神經網絡對損傷進行定位等.其中,南京航空航天大學智能材料與結構研究所研制的強度自診斷自適應智能復合材料結構,將光纖傳感器,壓電傳感器等埋入大型復合材料試驗件,實現了多種損傷的在線自診斷及自適應,達到了國際先進水平,部分成果屬國際首創.
將光纖網絡埋入飛艇表層中,形成的光纖智能表層,使用光纖智能表層的飛艇具有如下優點:
(1)通過監測復合材料表層的成型過程,可以提高材料的性能和可靠性,并可降低制造成本;
(2)起飛前可以自動進行對機身構件及表層性能的評估,以確定能否飛行:
(3)在飛行過程中,可以自動實時監測飛機受到的氣動參數,應變以及溫度變化等;
(4)在飛行工作過程中,可以監測飛機結構的損傷狀況,并為飛行員提供參考;
(5)著陸后,可以利用智能表層系統記錄的數據對飛機進行結構完整性評估以及必要的維修.
運用埋植技術把裝有化學藥品的空心纖維埋植在聚合物基體中,當材料受到外部的碰撞時,材料內部應力改變而產生裂紋,這種空心纖維破裂后釋放出粘連劑以修補裂紋.S R White等報道了一種新型的可自修復的聚合物基復合材料,將環戊二烯二聚體包裹在脲醛樹脂制成的微膠囊里,和Grubbs催化劑一起分散在環氧基體中,當材料產生裂縫時,微膠囊破裂,環戊二烯二聚體由于裂縫產生的毛細管虹吸作用迅速滲入銀紋,碰到Grubbs催化劑產生交聯聚合以達到修復的目的.實驗測試表明,這種復合材料有75%的修復率.該體系將埋植技術,微膠囊技術,烯烴聚合,高分子多組分體系等有機地結合在一起,達到材料深層自修復的目的.
2,矢量推進系統
飛艇的推進系統為飛艇做浮空飛行提供前飛動力,并為輔助系統提供動力(操作系統等).飛艇的推進系統一般包括:能源,原動力(發電機)和推進飛艇的推進器(螺旋槳,風扇等).
"希望號"采用氫氣作為能源.氫氣既產生浮力,又能在渦輪推進器中燃燒提供動力.氫氣產生單位熱量所需的質量輕,用氫氣作燃料的飛艇起飛重量和燃料的重量減少,但是燃料的體積增大了,這明顯降低了升阻比,然而當油性燃料供應不足時,氫氣將成為飛艇的有效能源.
"希望號"采用矢量推進設計.發動機直接推動螺旋槳,在推進器矢量旋轉時,發動機可直接驅動螺旋槳.通過調節動力和矢量角度實現任何較弱風力的情況下都能垂直起降或懸停,并且確保有足夠的向前推力分量來維持地面位置.
3,混合設計
傳統飛艇是一個具有起飛和著陸功能的簡單車輛,但在實踐中,空氣動力對低速和高速控制來說都是必要的.傳統飛艇依靠其氣囊外形的變化或矢量推進增加動態升力,但其結構和有效載荷卻主要由靜升力運載.因而,傳統飛艇對勝利的控制變化幅度不能超過矢量推力所能提供的升力.傳統飛艇在地面易受風的影響,并且裝載和卸載都很困難.
"希望號"采用空氣動力混合設計,兼有輕于空氣和重于空氣飛行器的特點.與傳統飛艇相比,它的優勢在于,它在著陸和裝載階段更易于操作,有效載荷更大."希望號"在傳統飛艇的機身上安裝了一對副翼,它的一部分升力是空氣動力產生的.矢量螺旋槳推進系統與飛艇的結合是多升力源混合飛艇概念的一種,它利用飛艇的空氣靜升力來平衡結構重量和載荷,而利用螺旋槳提供的垂直動力來承載一部分有效載荷,保持了垂直起降能力的優勢.
4,著陸系統
1),伸縮式液壓萬向起落架
"希望號"采用伸縮式液壓萬向起落架,可以在不平整的場地垂直起降,滿足救災環境的需要.
2),艙蓋式登機梯
"希望號"的登機梯設計在艇體腹部,其結構為一個可以旋轉的艙蓋.根據地形的不同,旋轉角度也不同.登機梯上設有皮帶傳送裝置,可以快捷的裝卸物資和運送受傷人員.
5,標志設計和機身涂裝
該標志為中國空中救援隊標志."紅心中國"是這次汶川地震,全國人民心連心,團結一致,熱愛祖國的象征,是救援的精神支柱.紅心中鑲有兩只心形的緊緊相握的手,象征關愛和救援.藍色象征空中就援,若為地面救援可替換為綠色.在標志右方加以漢字和英文說明.
艇身涂裝的主體為綠絲帶,輔以"中國救援"標志和飛艇型號標志"希望號".綠絲帶也是汶川地震的一個標志,象征了全國人民萬眾一心,一方有難,八方支援的崇高精神.
三,"希望號"氦氣飛艇在救災中可以發揮以下重大作用.
遙感遙測與指揮所作用.由于災情瞬息萬變,救災方案也必須實時變化.當受災地區天氣惡劣的情況下,飛機,衛星就不能及時得到清晰的遙感圖像,而飛艇可以在云層底下長時間地巡航,在安裝高分辨率照相機和遙感設備等之后,可以全天候 24小時監控受災地區,并快速得出遙感圖像,為抗震救災指揮提供連續,系統,全面的第一手災區監測資料,供決策參考.當然也可以在飛艇上開設指揮所,實施現場指揮,這樣比徒步視察的效率要高出許多.
環境氣象監測,確?？者\空投.災情發生后,飛艇可以立即飛赴災區上空,利用自身配置的氣象雷達與氣象監測設備,實現對災區數百平方公里氣象環境條件的應急機動監測,隨時為空運和空投提供非常及時的氣象信息,大幅度提高空運空投的效率和安全性.
輸送救援人員和物資,搜索和轉移傷病員.汶川地震救援中出動了100多架直升機,為搶救傷員發揮了重要作用.但直升機運力較小,受氣候影響較大,對裝載,著陸點的條件要求比較高,油料消耗也很大,僅能搶救一些重傷病員,運送一些輕型的救援設備.相比之下,"希望號"飛艇的有效載荷大,可以取代將近十架容量10多人的直升機,也就是說一架可運送100人的飛艇飛行一次.飛艇不但效率非常高,而且比較穩定,傷員所受顛簸影響很小.飛艇還不受地理條件的約束,只要風力不大,它可以到達災區上空的任何地域,并能夠懸停在離地面很近的地方,這樣飛艇就可以繞開中斷的道路,冒著暴雨向各個受災點運送救援人員,淡水,醫療藥品,以及工程機械等大型的救災設備,并及時撤出受災群眾,從而減少傷亡和損失.飛艇還可以長時間懸空作業,全天24小時搜索受災群眾,這是直升機在時間上,空間上無法做到的.
通信中繼作用.在汶川大地震中,大面積通信中斷,車載機動通信臺站長時間進不了災區,難以恢復通信."希望號"在配置通信中繼設備后,通信機動覆蓋面積大(一般達數萬平方公里),通信頻道寬,效能高,它可在災害發生的第一時間到達災區上空,立即打通災區和外界的通信聯絡.通信順暢對安定民心,穩定秩序,確保抗震救災的順利實施可發揮非常重要的作用.
流動醫院與災后防疫.飛艇的體積比較大,飛行比較穩定,可以直接搭設手術臺等醫療設備,充當流動醫院,盡可能地爭得搶救生命的時間.地震后的防疫工作也是相當緊迫的,疫情隨時可能發生.利用飛艇,可快速,高效地對災區進行大面積噴灑消毒,還可以及時輸送防疫人員實時監控災區疫情和水源污染情況等.
四,三視圖及其參數
長:64米
寬:36米
高:14米
飛行時速:0～250公里/小時
飛行高度:0～8000米
最大巡航距離:6000公里
有效載荷:10,000千克
五,效果圖
參考文獻:
1.《飛艇技術概論》 甘曉華 郭穎 國防工業出版社 2005年5月第一版
2.《飛艇技術》 [英] G.A.庫利 J.D. 吉勒特著 科學出版社 2008年1月第一版
一,飛艇在救災中的作用
年初的冰雪給人民帶來的災害才剛平息,四川的汶川大地震又在傷口上添上更為沉重的一擊.我們無法阻止災難的發生,但是我們有能力減少災害帶來的傷害.只有不斷發展完善救災體系,裝備有效的救災工具,才能在災害發生時,快速有效的應對.接踵而至的兩次重大災害,使得探索研發新式交通運輸救災工具的責任和使命更加緊迫.
在汶川大地震發生后,一場生死大救援瞬時展開.但在與災害的頑強斗爭中,我們遇到了抗震救災中最嚴重的瓶頸問題——災區地形險峻,道路中斷,氣候條件惡劣,給救援運輸帶來了異常的困難.
地震發生后,災區道路被山體滑坡嚴重堵塞或已遭地震沖擊波破壞,運輸車輛和大型挖掘機械無法前行,救援遇到了極大的困難,交通問題嚴重威脅著災區人民的生命安全.在年初的冰雪災害中,同樣也是因為交通問題,給救災帶來了極大的困難,大量的人員和物資滯留途中.直升機和大型運輸機對氣候條件要求很高,需要場地起降,而且運輸能力及其有限,救災作用受到各方面條件的嚴重制約.
災害發生后,在救援中反映出我國的交通運輸體系存在著一定的不足:交通過于依賴公路,鐵路,機場等基礎設施,受自然條件影響較大,缺乏互補性, 一旦依賴的條件被毀,必將制約我們在自然災害,戰爭等突發事件中的緊急行動.我們必須設法改善我國的交通運輸體系,以減少自然災害或戰爭造成的嚴重困難和損失.
救災呼喚新的交通工具.有沒有一種可以飛越地理障礙,有效載荷更大,功能更多,更安全,更經濟,運動自由度更大的運輸方式
答案是肯定的,那就是新型氦氣飛艇.為中國救援隊而設計的救災專用設備"希望號"根據時代的需要應運而生了.
二,"希望號"的具體設計
1,硬式艇囊
"希望號"的外形由剛性骨架保持,外罩由特殊材料形成外蒙布或由輕金屬皮包圍保持飛艇的整個形狀;在艇體骨架內放置一系列密封的浮升氣體小氣囊.動力裝置,操作系統,乘客和機組的艙室設置在飛艇剛性骨架的主結構上.不管艇囊充氣與否,飛艇的外部形狀保持不變.
艇囊蒙皮采用智能納米材料結構.該機構結合了納米復合材料輕質,強度高等特點,還具有智能材料的自診斷,自修復及自適應能力.智能表層(Smart Skin,也稱智能蒙皮)是航空航天領域重點研究內容之一它是將各種傳感器,驅動器集成在飛行器的表層中.其功能為:使飛行器自動檢測并自動適應周圍環境的變化.另外,對于材料表面及內部的損傷,缺陷,噪聲和振動等,智能表層具有自診斷,自修復和自適應的功能.
由主體材料,傳感元件,驅動元件,控制系統組成的智能材料結構,其作用已由結構用途為主逐步向多功能,智能化方向發展,是賦予結構健康自診斷,環境自適應和損傷自愈合功能的一類仿生結構系統.從解剖學的角度來看,智能材料結構相當于一個由骨骼,神經,肌肉和大腦組成的系統.其中,主體材料相當于人體的骨骼,它的作用與一般的材料結構相同,例如承受載荷等.而融于主體材料中的傳感元件相當于神經系統,驅動元件相當于人體的肌肉,處理和控制系統可視為人的大腦.
國內南京航空航天大學,重慶大學,華中理工大學,哈爾濱工業大學等單位在結構健康監測的研究中也取得許多成果,如自適應復合材料,光纖智能結構的自診斷,自修復,利用聲發射技術和小波分析,神經網絡對損傷進行定位等.其中,南京航空航天大學智能材料與結構研究所研制的強度自診斷自適應智能復合材料結構,將光纖傳感器,壓電傳感器等埋入大型復合材料試驗件,實現了多種損傷的在線自診斷及自適應,達到了國際先進水平,部分成果屬國際首創.
將光纖網絡埋入飛艇表層中,形成的光纖智能表層,使用光纖智能表層的飛艇具有如下優點:
(1)通過監測復合材料表層的成型過程,可以提高材料的性能和可靠性,并可降低制造成本;
(2)起飛前可以自動進行對機身構件及表層性能的評估,以確定能否飛行:
(3)在飛行過程中,可以自動實時監測飛機受到的氣動參數,應變以及溫度變化等;
(4)在飛行工作過程中,可以監測飛機結構的損傷狀況,并為飛行員提供參考;
(5)著陸后,可以利用智能表層系統記錄的數據對飛機進行結構完整性評估以及必要的維修.
運用埋植技術把裝有化學藥品的空心纖維埋植在聚合物基體中,當材料受到外部的碰撞時,材料內部應力改變而產生裂紋,這種空心纖維破裂后釋放出粘連劑以修補裂紋.S R White等報道了一種新型的可自修復的聚合物基復合材料,將環戊二烯二聚體包裹在脲醛樹脂制成的微膠囊里,和Grubbs催化劑一起分散在環氧基體中,當材料產生裂縫時,微膠囊破裂,環戊二烯二聚體由于裂縫產生的毛細管虹吸作用迅速滲入銀紋,碰到Grubbs催化劑產生交聯聚合以達到修復的目的.實驗測試表明,這種復合材料有75%的修復率.該體系將埋植技術,微膠囊技術,烯烴聚合,高分子多組分體系等有機地結合在一起,達到材料深層自修復的目的.
2,矢量推進系統
飛艇的推進系統為飛艇做浮空飛行提供前飛動力,并為輔助系統提供動力(操作系統等).飛艇的推進系統一般包括:能源,原動力(發電機)和推進飛艇的推進器(螺旋槳,風扇等).
"希望號"采用氫氣作為能源.氫氣既產生浮力,又能在渦輪推進器中燃燒提供動力.氫氣產生單位熱量所需的質量輕,用氫氣作燃料的飛艇起飛重量和燃料的重量減少,但是燃料的體積增大了,這明顯降低了升阻比,然而當油性燃料供應不足時,氫氣將成為飛艇的有效能源.
"希望號"采用矢量推進設計.發動機直接推動螺旋槳,在推進器矢量旋轉時,發動機可直接驅動螺旋槳.通過調節動力和矢量角度實現任何較弱風力的情況下都能垂直起降或懸停,并且確保有足夠的向前推力分量來維持地面位置.
3,混合設計
傳統飛艇是一個具有起飛和著陸功能的簡單車輛,但在實踐中,空氣動力對低速和高速控制來說都是必要的.傳統飛艇依靠其氣囊外形的變化或矢量推進增加動態升力,但其結構和有效載荷卻主要由靜升力運載.因而,傳統飛艇對勝利的控制變化幅度不能超過矢量推力所能提供的升力.傳統飛艇在地面易受風的影響,并且裝載和卸載都很困難.
"希望號"采用空氣動力混合設計,兼有輕于空氣和重于空氣飛行器的特點.與傳統飛艇相比,它的優勢在于,它在著陸和裝載階段更易于操作,有效載荷更大."希望號"在傳統飛艇的機身上安裝了一對副翼,它的一部分升力是空氣動力產生的.矢量螺旋槳推進系統與飛艇的結合是多升力源混合飛艇概念的一種,它利用飛艇的空氣靜升力來平衡結構重量和載荷,而利用螺旋槳提供的垂直動力來承載一部分有效載荷,保持了垂直起降能力的優勢.
4,著陸系統
1),伸縮式液壓萬向起落架
"希望號"采用伸縮式液壓萬向起落架,可以在不平整的場地垂直起降,滿足救災環境的需要.
2),艙蓋式登機梯
"希望號"的登機梯設計在艇體腹部,其結構為一個可以旋轉的艙蓋.根據地形的不同,旋轉角度也不同.登機梯上設有皮帶傳送裝置,可以快捷的裝卸物資和運送受傷人員.
5,標志設計和機身涂裝
該標志為中國空中救援隊標志."紅心中國"是這次汶川地震,全國人民心連心,團結一致,熱愛祖國的象征,是救援的精神支柱.紅心中鑲有兩只心形的緊緊相握的手,象征關愛和救援.藍色象征空中就援,若為地面救援可替換為綠色.在標志右方加以漢字和英文說明.
艇身涂裝的主體為綠絲帶,輔以"中國救援"標志和飛艇型號標志"希望號".綠絲帶也是汶川地震的一個標志,象征了全國人民萬眾一心,一方有難,八方支援的崇高精神.
三,"希望號"氦氣飛艇在救災中可以發揮以下重大作用.
遙感遙測與指揮所作用.由于災情瞬息萬變,救災方案也必須實時變化.當受災地區天氣惡劣的情況下,飛機,衛星就不能及時得到清晰的遙感圖像,而飛艇可以在云層底下長時間地巡航,在安裝高分辨率照相機和遙感設備等之后,可以全天候 24小時監控受災地區,并快速得出遙感圖像,為抗震救災指揮提供連續,系統,全面的第一手災區監測資料,供決策參考.當然也可以在飛艇上開設指揮所,實施現場指揮,這樣比徒步視察的效率要高出許多.
環境氣象監測,確?？者\空投.災情發生后,飛艇可以立即飛赴災區上空,利用自身配置的氣象雷達與氣象監測設備,實現對災區數百平方公里氣象環境條件的應急機動監測,隨時為空運和空投提供非常及時的氣象信息,大幅度提高空運空投的效率和安全性.
輸送救援人員和物資,搜索和轉移傷病員.汶川地震救援中出動了100多架直升機,為搶救傷員發揮了重要作用.但直升機運力較小,受氣候影響較大,對裝載,著陸點的條件要求比較高,油料消耗也很大,僅能搶救一些重傷病員,運送一些輕型的救援設備.相比之下,"希望號"飛艇的有效載荷大,可以取代將近十架容量10多人的直升機,也就是說一架可運送100人的飛艇飛行一次.飛艇不但效率非常高,而且比較穩定,傷員所受顛簸影響很小.飛艇還不受地理條件的約束,只要風力不大,它可以到達災區上空的任何地域,并能夠懸停在離地面很近的地方,這樣飛艇就可以繞開中斷的道路,冒著暴雨向各個受災點運送救援人員,淡水,醫療藥品,以及工程機械等大型的救災設備,并及時撤出受災群眾,從而減少傷亡和損失.飛艇還可以長時間懸空作業,全天24小時搜索受災群眾,這是直升機在時間上,空間上無法做到的.
通信中繼作用.在汶川大地震中,大面積通信中斷,車載機動通信臺站長時間進不了災區,難以恢復通信."希望號"在配置通信中繼設備后,通信機動覆蓋面積大(一般達數萬平方公里),通信頻道寬,效能高,它可在災害發生的第一時間到達災區上空,立即打通災區和外界的通信聯絡.通信順暢對安定民心,穩定秩序,確保抗震救災的順利實施可發揮非常重要的作用.
流動醫院與災后防疫.飛艇的體積比較大,飛行比較穩定,可以直接搭設手術臺等醫療設備,充當流動醫院,盡可能地爭得搶救生命的時間.地震后的防疫工作也是相當緊迫的,疫情隨時可能發生.利用飛艇,可快速,高效地對災區進行大面積噴灑消毒,還可以及時輸送防疫人員實時監控災區疫情和水源污染情況等.
四,三視圖及其參數
長:64米
寬:36米
高:14米
飛行時速:0～250公里/小時
飛行高度:0～8000米
最大巡航距離:6000公里
有效載荷:10,000千克
五,效果圖
參考文獻:
1.《飛艇技術概論》 甘曉華 郭穎 國防工業出版社 2005年5月第一版
2.《飛艇技術》 [英] G.A.庫利 J.D. 吉勒特著 科學出版社 2008年1月第一版
