專利名稱：能安全使用氫氣、并能控制其升降的硬殼氣球、飛艇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空中運載工具；特別涉及一種能安全使用氫氣，并能控制其升降的硬殼氣球、飛艇，及其制造方法，使用方法。
氣球、飛艇是極具開發(fā)潛力的空中運載工具。眾所周知氣球、飛艇只有向大型化、巨型化發(fā)展，即運載能力達到幾十噸，幾百噸時，在工業(yè)、商業(yè)、軍事科技、廣播通訊等眾多領(lǐng)域，才真正具備實用價值。
以目前使用較為廣泛的軟殼類的熱氣球，充氫充氦飛艇向大型化、巨型化發(fā)展是不現(xiàn)實的。因為氣球、飛艇在承重和運動受力時，球殼艇身將發(fā)生受力變形，而軟殼類球、艇因自身無剛度，其抵抗殼體受力變形，完全依賴于增加殼內(nèi)低密度氣體的壓力，以提高殼皮表面張力的方式，達到抵抗殼體受力變形的目的。但是由于其殼壁簿，殼體總抗拉強度低，氣密性能差。特別是殼體尺寸增大和殼內(nèi)低密度氣體增壓后，殼體表面滲透面積增大，并且殼內(nèi)氣體向外部的滲透壓力增高，因此采用這種方法在大尺寸的情況下，不僅難以保證殼體高強度的抗拉要求 而且會加速殼內(nèi)低密度氣體的滲漏。殼皮表面的張力很難保持。其使用的安全問題，留空時限以及使用中的維護問題均難解決。所以軟殼類的氣球、飛艇是不能達到高承載的目的的。氣球、飛艇向大型化、巨型化發(fā)展必須依靠“有剛度、自重輕、氣密性能好，能安全使用廉價氫氣并能控制其升降的巨型硬殼球艇(10萬立方米以上)”。這在氣球二百余年的發(fā)展史上尚無成功的先例，也正是本發(fā)明的總目的。本發(fā)明將提供巨型硬殼氣球、飛艇及其殼體的制造方法和安全充加使用氫氣與控制飛艇升降的方法。
一、“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”及其制造方法。
通過對框架結(jié)構(gòu)殼體的受力分析、制造工藝分析可知硬殼球、艇難以成功，難能實現(xiàn)的根本原因是人們基于“減輕自重提高殼體整體剛度、強度的常識”，①偏重于選擇輕質(zhì)高強度的簿板材制做殼體。②在大尺寸和對自重要求極其苛刻的情況下，仍試圖沿用殼體制造的經(jīng)典傳統(tǒng)方法，即先制造內(nèi)部承力構(gòu)架，而后在構(gòu)架上鋪設(shè)起氣密作用和傳力作用的板材或蒙皮的方式制造殼體。如中國《國際航空》97.5介紹的某計劃中的飛艇，其艇身就是由凱芙拉復(fù)合材料，用多層擠壓層合的簿板制成的。這一傳統(tǒng)的殼體設(shè)計選材思想、制造方法，也包括了歷史上著名的“興登堡”巨型飛艇和其它一些運載工具的殼體；如船身、飛機的機身、車廂、潛艇以及大型密封容器，殼式建筑等等。在殼體的設(shè)計選材和制造方法上均是如此。這一類殼體的主要技術(shù)特征是“殼壁氣密、傳力，構(gòu)架承力”。
輕質(zhì)高強度材料的種類很多，其中密度最小的一類是纖維復(fù)合材料。如玻璃纖維——環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，碳纖維——環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，硼纖維——環(huán)氧樹脂復(fù)合材料等。其材料的比強度、比剛度均優(yōu)于優(yōu)質(zhì)鋼鐵。材料的密度值一般為1.38×103kg/m3～2.4×103kg/m3。這樣的密度值在固體材料中可謂不高，但用來制做對自重要求極為苛刻的氣球、飛艇，其殼體卻只能是“截面力學(xué)特性”極差，且壁厚δ僅能為幾毫米的簿壁殼。如果在直徑大于50米的大尺寸情況下，仍然延用上述經(jīng)典傳統(tǒng)的殼體制造工藝及方法，則難免會帶來“簿壁殼受壓屈曲穩(wěn)定，簿板的對接、聯(lián)接，殼體整體的剛度、強度，以及殼體的氣密能力等，特別是殼體內(nèi)部大跨度承力構(gòu)架的設(shè)置，構(gòu)架的自重、自身的穩(wěn)定性”等等諸多的力學(xué)問題和極復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)難以解決的制造工程問題。而又由于殼體內(nèi)部必須設(shè)置構(gòu)架，當(dāng)向殼內(nèi)充加氫氣時，只能采取不能隔絕空氣的“向下排空氣法”，以至于無法安全使用廉價且密度值最小，技術(shù)性能最好的氫氣。從而又在使用的經(jīng)濟性、安全性上阻礙了硬殼球、艇的發(fā)展。因此，欲制造對自重要求極其苛刻的大型、巨型硬殼氣球、飛艇，保證殼體受力穩(wěn)定，保證使用的經(jīng)濟性、安全性，必須否定和放棄上述經(jīng)典傳統(tǒng)的構(gòu)架承力結(jié)構(gòu)的殼體！放棄其設(shè)計選材思想和放棄其經(jīng)典傳統(tǒng)的殼體制造工藝方法。另辟溪徑，采用新型結(jié)構(gòu)的殼體。本發(fā)明的第一個目的就是要提供一種，以低密度、低彈性模數(shù)材料為主要施力殼層的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”及其制造方法。
依據(jù)發(fā)明所提供的方法制造的殼體殼壁厚大，氣密性強，受力穩(wěn)定，具有很好的“截面力學(xué)特性”。自重輕，有效載荷大。能滿足氣球、飛艇對自重的苛刻要求。(示例I中的飛艇自重與總浮力之比可達1∶2)采用該方法，制造工藝簡單便捷，可以不設(shè)置內(nèi)部承力構(gòu)架。殼體內(nèi)表面平整，能為采用“隔膜充氫法”安全使用氫氣提供必要條件，和能為采用“空氣重量增減法”控制氣球、飛艇的升降提供條件。
特別重要的是，采用該方法能簡單有效的彌補和利用，低密度材料，強度低、彈性模數(shù)低、受力易變形的重大缺陷及其特性。能在殼內(nèi)外無壓差的等壓狀態(tài)下，使低密度材料殼層處于彈性回復(fù)的穩(wěn)定施力狀態(tài)，成為能增加殼體表面高彈模材料殼層張力的施力殼層。從而保證主要承力的整體高彈模纖維復(fù)合材料殼層(或鋼質(zhì)殼層，高強度工程塑料構(gòu)架層)，在殼內(nèi)外等壓狀況下，受低彈模殼層的施力作用處于均勻的受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”。保證殼體的受力穩(wěn)定。
依據(jù)發(fā)明提供的方法制造的殼體，其施力殼層雖然采用了低密度、低彈模材料，但是由于其殼壁厚大，總承力面積大，因此能夠承受極大的預(yù)壓緊力，以保證高彈模材料殼層，在殼內(nèi)外氣壓相等的狀態(tài)下，能夠獲的巨大的張力，使殼體具備足夠的抗變形能力，完全能夠滿足，載荷力，推進動力、運動阻力、自然力等力、力矩對殼體的要求，并能滿足不同的使用目的對殼體的特殊要求。
本發(fā)明所提供方法，不僅能適用于硬殼氣球、飛艇的制造，而且適用于船身、機身、潛艇、車廂，以及大型密封容器，殼式建筑等殼體的制造。
本發(fā)明的目的是由以下方法、步驟實現(xiàn)的。以下結(jié)合附圖，予以說明附

圖1是本發(fā)明所述硬殼飛艇的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是所述飛艇在充氫及做為載人飛艇使用時的結(jié)構(gòu)原理圖。
附圖3利用交錯排列法，粘接中間施力殼層的工序圖。
發(fā)明所提供的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”是一種無內(nèi)部構(gòu)架殼體。該殼體為多層層合結(jié)構(gòu)，它分別由中間施力殼層(8)與外層高彈性模數(shù)材料殼層(9)層合構(gòu)成，或由中間施力殼層與內(nèi)、外高彈模材料殼層層合構(gòu)成。其高彈性模數(shù)材料殼層(9)可以是纖維復(fù)合材料殼層或是內(nèi)、外鋼質(zhì)材料雙殼層，或是設(shè)置于殼壁內(nèi)的高強度工程塑料構(gòu)架層。其中間施力殼層(8)由低密度或低彈性模數(shù)材料構(gòu)成，其材料可以是聚苯乙烯塑料泡沫，硬質(zhì)聚胺脂泡沫(I)型、II型等。該殼體的施力殼層(8)，在制造過程中，通過預(yù)壓、緊合—層合工藝，能超前完成受力變形并通過其材料彈性變形回復(fù)力的方式，施力作于層合在其外的高彈性模數(shù)材料殼層(9)上，使(9)能在殼內(nèi)外氣壓相等的狀態(tài)下，以及工作壓力小于預(yù)壓緊力的工作狀態(tài)下，處于受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”。該殼體是以其自身所獲得的張力，實現(xiàn)抵抗殼體受力變形的目的，和避免工作受壓時，殼體可能出現(xiàn)的“簿壁殼受壓屈曲穩(wěn)定問題”的。
制造該“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”的步驟是1、用預(yù)制的低密度材料的厚板材、塊材，依附挖掘或搭建的階梯狀圓弧形凹槽(14)的表面，以建筑壘砌磚塊的方法，交錯排列，直接粘接成氣球、飛艇(船身、機身)殼體的施力殼層(8)，并達到工藝設(shè)計要求的尺寸和模樣。由于板材、塊材極厚、極輕，且采用了交錯排列的方式，因此在壘砌殼體上半部分的板材、塊材時，其板材、塊材實際呈插接安裝的自支撐形式，所以無需構(gòu)架支撐或僅需支撐力很小的輔助支撐。因此對于橫向跨度較大的氣球、飛艇的殼體，其殼體上半部分，可以利用預(yù)先設(shè)置的外構(gòu)架、栓接拉護。同時可以利用能夠沿殼體縱向移動的特制階梯式弧形支架(即網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的行車)上料安裝板材、塊材并做臨時輔助支撐(對于橫截面較小、跨度較小的船身、機身、潛艇、車廂等殼體可采用預(yù)制的環(huán)形段、片直接粘合)。為能使殼體形成完全密封的空間，和保證殼體壘砌時的穩(wěn)定，增補屆時可以拆除的工藝密封部分(門、舷窗、進排氣口等)，并增加增厚殼體的工藝厚度，屆時拆除。拆除時可以采用手工、機械和化學(xué)溶解等方法。
對于氣球、飛艇承力較大，受力集中的局部，和對于承受較大縱向彎矩，軸向扭矩的船身、機身等，在預(yù)制的厚板材，相互粘接的平面以及殼體的內(nèi)外表面上，設(shè)有預(yù)制的沿殼體縱向和沿殼體周向的凹槽。并可在粘接的同時，在徑向埋設(shè)穿過凹槽及殼壁的緊固件。當(dāng)厚板材、塊材相互粘合聯(lián)成殼體后，這些凹槽將在殼體的局部或整個殼壁上相互連通成“工字鋼”“槽鋼”“十字”等截面形狀的局部空心框架，或整體空心框架。以備注塑和以備殼體內(nèi)外表面高強度鋼質(zhì)殼層之間的栓接。以形成殼體的壁內(nèi)構(gòu)架。保證殼體局部或整體的剛度、強度。
對于氣球、飛艇，在預(yù)制的厚板材、塊材的相互粘接的平面和外表面交接處，設(shè)有預(yù)制的沿殼體縱向、周向的“丁”字型“弧形”凹槽，當(dāng)板、塊粘接成殼體時，這些凹槽將在整個殼壁表面上相互連通成溝槽。以備在殼體表面鋪設(shè)纖維復(fù)合材料殼層時，在溝槽處，加厚，加固形成纖維復(fù)合材料殼層的加強筋。以提高纖維復(fù)合材料殼層的抗拉能力，防止使用時表面殼層發(fā)生撕裂破壞。
2、對壘建粘接完工的密閉殼體即施力殼層(8)實施整體預(yù)壓抽取密閉殼體內(nèi)部分或全部空氣，使殼內(nèi)外產(chǎn)生大氣壓差。以利用殼外均勻巨大的大氣壓力，對低密度材料殼層(8)，在其材料的彈性變形范圍內(nèi)，實施整體預(yù)壓，使低密度材料殼層(8)受壓緊合，成為被大氣壓緊箍的整體(抽氣過程殼體受力分析見閱《材料力學(xué)》s.鐵摩辛柯著)。當(dāng)殼體所受緊合力達到設(shè)計要求時，停止抽氣，并保持殼內(nèi)負(fù)壓值。對于橫截面積較小的機身、潛艇、車廂等，為能使殼體獲得足夠大的預(yù)壓緊力，可以采用增加殼外氣壓的方法處理(如示例2中的潛艇，外壓需達到16×105帕。為能增大殼體縱向的預(yù)壓緊力還可以采用機械輔助施力的方法，實施單方向預(yù)壓等，略)。在上述抽氣緊合過程中，由于低密度材料彈性模數(shù)低，因此整個低密度材料殼層，在受大氣壓載作用時，將會發(fā)生較明顯的收縮變形。殼體表面與支撐面將發(fā)生相對滑動，應(yīng)特別予以注意。
3、在保持緊合力，即保持殼內(nèi)外大氣壓差的情況下，實施高彈模外殼層(9)和處于預(yù)壓緊合變形狀態(tài)下的低密度施力殼層(8)的層合。
a、對于氣球、飛艇，在殼體全表面，以及表面的“丁字”凹槽“弧形”凹槽中，用“手工糊制成型法”或“噴射成型法”鋪設(shè)多層纖維復(fù)合材料殼層，并鋪設(shè)形成纖維復(fù)合材料殼層的加強筋直至達到設(shè)計要求的厚度(示例1中的飛艇的纖維復(fù)合材料殼層厚度約為2毫米)。
b、對于氣球、飛艇承力較大，受力集中的局部，以及船身、機身、潛艇、車廂等殼體，在前述的局部空心框架，整體空心框架內(nèi)，注塑高強度工程塑料，以形成殼壁內(nèi)的局部或整體的承力構(gòu)架。(此處應(yīng)注意注塑壓力，材料的耐壓能力，以及相關(guān)的耐壓處理方法)c、對于船身潛艇，利用前述預(yù)埋的徑向緊固件，栓接安裝內(nèi)外殼層鋼板，并焊接、接縫(潛艇防護鋼板很厚時，同樣可以采用分層層合的方法處理，略)4、待纖維復(fù)合材料固化和a，b，c結(jié)束后，拆除工藝密封部分。使殼內(nèi)外恢復(fù)至常壓。即撤除大氣壓載，使殼內(nèi)外氣體處于無壓差的等壓狀態(tài)。
當(dāng)殼內(nèi)氣體恢復(fù)至常壓，即撤除大氣壓載之后，由于纖維復(fù)合材料、工程塑料、鋼質(zhì)材料的彈性模數(shù)，遠遠高于低密度材料，其張緊變形量極小，從而能夠束縛內(nèi)層已發(fā)生過受壓緊合變形的低密度材料殼層，使之不能恢復(fù)彈性變形。由殼內(nèi)外大氣壓差作用產(chǎn)生的極其巨大的預(yù)壓緊力無法釋放，從而使低密度材料殼層獲得極大的預(yù)壓緊力。低密度材料殼層(8)，將始終處于彈性回復(fù)或彈性膨脹的施力狀態(tài)。成為被高彈模材料殼層緊箍的彈性施力殼層。而又由于高彈模殼層(9)，始終受到低密度材料殼層(8)彈性回復(fù)力的施力作用，從而保證了高彈模殼層(9)，在殼內(nèi)外氣壓相等的情況下，始終處于受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”。
根據(jù)胡克定律可知“只有當(dāng)殼體重新受壓超過該預(yù)壓緊力，即超出原大氣壓載時，殼體才能繼續(xù)發(fā)生受壓變形。而當(dāng)殼體在工作使用時，所受到的載荷力、運動力、自然力不能超過該預(yù)壓緊力時，即工作壓力在0～預(yù)壓緊力范圍內(nèi)，殼體低密度材料殼層將不發(fā)生變形！而僅僅只是相對減少高彈模材料殼層(即纖維復(fù)合材料殼層，鋼質(zhì)殼層，殼壁內(nèi)高強度工程塑料構(gòu)架層)上的張緊力。低密度材料殼層將始終處于恒定的施力狀態(tài)，并與工作時所受外力無關(guān)！特別是當(dāng)殼體重新受壓超過該預(yù)壓緊力時(即殼體在工作使用時，所受的載荷力、運動力、自然力超過原大氣壓載時，由于上述高彈模殼層材料的彈性模數(shù)，遠遠大于低密度材料，其受壓變形量極小，因此重新受壓時，其壓力超出預(yù)壓緊力的部分將主要由高彈模材料殼層承擔(dān)！(即由纖維復(fù)合材料層，鋼質(zhì)雙殼層、高強度工程塑料構(gòu)架層承擔(dān)。)低密度材料殼層也同樣不生產(chǎn)變形！高彈模材料殼層的受力將由初始的受拉狀態(tài)，轉(zhuǎn)變成受壓狀態(tài)。這一特性對機身、潛艇等受一定彎矩作用的小截面殼體猶為重要。
綜上所述低密度材料殼層，在材料的彈性變形范圍內(nèi)，所受到的初始大氣壓載越大，則其所能獲得的預(yù)壓緊力越大。低密度材料殼層的施力能力以及作用于高彈模材料殼層上的張緊力越大。殼體整體的抗變形能力(抗壓、抗彎變形)越強，殼體的整體剛度越大。因為a殼體在0～預(yù)壓緊力之間的壓力范圍內(nèi)，工作受壓時，其受壓變形量(即張力減少的變形量)實際和高彈模材料殼層受低彈模殼層施力作用，產(chǎn)生的受拉變形量相等(對等)。因此①在0～預(yù)壓緊力的壓力范圍內(nèi)殼體的整體剛度實際等效于高彈模材料的剛度！且無需考慮殼體受壓屈曲穩(wěn)定問題。因為b殼體在受彎矩作用時，高彈模材料殼層的受壓側(cè)同時受到低彈模殼層所施的縱向張力和彎矩壓力的共同作用，縱向張力越大，共同作用的合力越小。由拉力與彎矩聯(lián)合作用下的正應(yīng)力計算公式 可知當(dāng)殼體所受張力P大于彎矩M產(chǎn)生的壓力時，或殼體所受彎矩 時，殼體受壓側(cè)將仍呈受拉張緊狀態(tài)。仍無需考慮殼體受壓屈穩(wěn)定問題。因此②依據(jù)本發(fā)明提供的方法制造的殼體，即受縱向張力作用的殼體，能從根本上改善彎矩作用時，殼體受壓側(cè)的受力狀態(tài)，避免由彎矩作用產(chǎn)生的破壞，其殼體在抗壓、抗彎的能力及原理上均優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)的殼體(通過下述示例1的計算，可以說明此結(jié)論)。對于承受一定彎矩作用的船身、機身等，應(yīng)充分利用上述結(jié)論，在對殼體實施預(yù)壓層合時，應(yīng)在低密度材料的彈性變形范圍內(nèi)，盡可能的加大初始大氣壓載，或利用機械施力，單方向的加大殼體初始縱向壓載，使殼體獲得足夠的縱向張力，以提高殼體的抗壓抗彎能力。
當(dāng)?shù)兔芏炔牧蠚铀@得的預(yù)壓緊力大于、遠大于殼體使用時的運動阻力、推進動力以及自然力、載荷力時，殼體在承重及工作運動受力時將不產(chǎn)生受壓變形，因此③殼體內(nèi)，殼壁內(nèi)完全可以不設(shè)置承力構(gòu)架?；驗闈M足一定的彎矩，扭矩及局部受力要求等，僅需在壁內(nèi)設(shè)置較輕細(xì)構(gòu)架，或殼外構(gòu)架，當(dāng)殼體較寬大，需要設(shè)置隔層、隔倉時(如多層寬體客機、雙層車廂等)，應(yīng)在殼內(nèi)設(shè)置能增加殼體橫截面積的縱向隔倉，a、以隔倉壁作為殼體的抗彎筋板，b、特別是以隔倉壁增大殼體承受縱向初始壓載能力，以保證殼體獲得足夠大的縱向總張力和抗彎能力。④由于高彈模材料殼層在使用過程中，受低彈模殼層的施力作用，在0～預(yù)壓緊力的工作范圍內(nèi)，以及所受彎矩 時，始終處于受拉張緊狀態(tài)，而無需考慮簿壁殼受壓屈曲穩(wěn)定問題，因此高彈模殼層，在滿足自身抗拉強度的情況下，可以制做的很簿，以利從根本上減輕自重(如示例1中的飛艇的高彈模殼層的厚度僅為1～2毫米)鑒于以上四點易見在低密度材料殼層所獲得的預(yù)壓緊力，完全能夠大于殼體在使用時的運動阻力、推進動力、自然力、載荷力的前提條件和殼體所受彎矩 的前提條件下。采用本發(fā)明提供的方法制造的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”能從根本上減輕自重，從根本上簡化殼體的制造工藝，并完全能夠保證殼體的整體強度、剛度。其殼體在抗壓、抗彎的能力及原理上均優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)的殼體！通過以下示例可以簡單看出氣球、飛艇、機身、船身、潛艇、車廂等殼體，在殼體的制造過程中，所能獲得的預(yù)壓緊力，縱向張力及殼體所能承受的彎矩都是極其巨大的，均能大于殼體使用和運動時的諸力、力矩！完全能夠滿足上述前提條件！滿足輕自重的苛刻要求，以及殼體的抗壓抗彎要求等！上述各種類殼體均可以采用本發(fā)明提供的方法予以制造。
示例1設(shè)某飛艇，其殼體采用本發(fā)明提供的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”。其艇身總長為280米，中間段為長210米，直徑為70米，實際計算壁厚為0.4米的空心圓柱筒(為保證殼體壘建和使用時的受力穩(wěn)定，厚板材、塊材采用方箱型結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)時，殼體實際的工藝壁厚約為1.2米)。兩端為同等壁厚，直徑70米的半球。殼體總體積為987268米3，在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的總浮力為1273.58噸。
中間施力殼層材料為聚苯乙烯塑料泡沫。其材料密度ρ1＝0.02×103kg/m3，材料抗壓強度σ1＝1.22kg/cm2。壁厚按0.4米計算時，中間施力殼層材料總重為488.8噸。
艇身主承力的高彈模纖維復(fù)合材料外殼層，選用碳纖維——環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其材料密度ρ2＝1.38×103kg/m3，其抗拉強度σ2＝2700kg/cm2，該材料殼層平均厚度δ＝2毫米，該殼層材料總重為170噸。
飛艇內(nèi)低密度氣體在采用以下發(fā)明提供的“隔膜充氫法”時可安全充加和使用氫氣，氫氣密度ρ3＝0.09kg/m3，在殼內(nèi)外等壓狀態(tài)，即氫氣壓力為1.013×105帕?xí)r，氫氣重量為86.65噸(若使用氦氣，氦氣總重為173噸)。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，飛艇的計算空重為745.4噸，剩余浮力為528噸。在高度1000米上運行時的有效載荷為410噸(地面附近與1000米高度處，飛艇的浮力差為118噸)。剩余浮力與總浮力比為0.415。殼重與總浮力比為0.45(小于1∶2)完全能滿足飛艇對殼體自重的苛刻要求。飛艇空載時的合密度為0.58kg/m3，其空載時的最大升限為7000米。
當(dāng)對殼體實施預(yù)壓層合時，抽取殼內(nèi)部分氣體，即使殼內(nèi)氣體壓力降至(-0.0138×105帕)時，受大氣壓載作用，在低密度材料殼層上產(chǎn)生的縱向擠壓應(yīng)力σ為(壁厚按0.4米計算) =529.34×103874176kg/cm2=0.605kg/cm2]]>其橫向擠壓應(yīng)力為1.2kg/cm2(計算略)。此二值均小于聚苯乙烯塑料泡沫的許用壓縮強度[σ1]＝1.22kg/cm2。且縱向擠壓應(yīng)力尚有一半的余量。
由以上計算可知低密度材料殼層所能獲得的縱向預(yù)壓緊力為529.34噸，此值遠大于殼體在使用時的推進動力，運動阻力。是目前最大航空發(fā)動機推力37～45噸的10倍以上。完全能夠滿足上述殼體應(yīng)用的前提條件。從而能夠在不設(shè)置承力構(gòu)架的情況下，保證殼體的縱向剛度。
當(dāng)撤除大氣壓載，使殼內(nèi)外氣體處于等壓狀態(tài)時，已獲得預(yù)壓緊力的低密度材料殼層的縱向彈性回復(fù)力，即作用于高彈模復(fù)合材料殼層的縱向總張力為529.34噸。此力在高彈模殼層上產(chǎn)生的縱向拉伸應(yīng)力σ=P2πrδ=5293402×3.14×3500×0.2·kg/cm2=120.4kg/cm]]>此值尚遠小于碳纖維——環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的許用拉伸強度[σ]＝2700kg/cm2。完全能滿足殼體自身的抗拉強度要求。
為能進一步增大纖維復(fù)合材料殼層的縱向張力，保證殼體受力穩(wěn)定，提高飛艇抗側(cè)風(fēng)等產(chǎn)生彎矩破壞的能力，適應(yīng)環(huán)境自然力及飛艇運動狀態(tài)的變化。殼體在實際使用時，殼內(nèi)氣體壓力將增至1.044×105帕(即殼內(nèi)壓力高于外部空氣壓力0.032×105帕)。這樣殼體的縱向總張力將達到1680噸，表面纖維復(fù)合材料殼層的縱向拉伸應(yīng)力為399kg/cm2，仍遠小于碳纖維復(fù)合材料的許用強度。此時，如果僅僅考慮，殼體受壓側(cè)的張力，彎矩壓力之合等于零的情況，即 尚未考慮高彈模材料殼層自身的抗壓能力；那么此時殼體所能承受的彎矩M=P·WF=P2πrδ·(0.0982×D4-d4D)]]> 可見，受縱向張力作用的殼體的抗彎能力是極強的，完全具備抗強側(cè)風(fēng)襲擊和彎矩破壞的能力！(而在彎矩作用時，殼體受拉側(cè)，縱向拉伸應(yīng)力 仍小于許用強度)。特別是飛艇在使用時是浸沒于密度值很小的空氣中，不同于浮在水面上的船身，其局部浮力變化量極小，且飛艇姿態(tài)基本屬于平動，縱向平衡，依靠配重，而不是依靠空氣產(chǎn)生的翼面力矩，因此在實際使用時，飛艇只受縱向推力、空氣阻力以及垂直方向的載荷力、浮力作用，不產(chǎn)生彎扭矩。(另注意殼內(nèi)增壓時，低密度材料僅增加法向壓應(yīng)力，只起傳力作用，而不增加縱向及周向應(yīng)力)根據(jù)示例及計算可簡單直觀地看出，采用本發(fā)明所提供的方法制造的殼體①完全能夠彌補低密度材料，彈性模數(shù)低，受力極易變形的重大缺陷，殼體具備足夠的整體剛度強度，滿足載荷力、運動力、自然力等諸力、力矩對殼體的要求。完全能夠在殼體尚未使用之前的制造過程中，通過預(yù)壓、緊合——層合的工藝方法，超前完成受力變形，從而消除使用時因殼體受力變形，可能出現(xiàn)的各種隱患。其施力殼層雖然采用了強度極低的聚苯乙烯泡沫類材料，但是由于殼壁厚大，總承力面積大，因此完全能夠承受很大的初始壓載，使外層高彈模殼層獲得足夠的張力，從而保證了低密度、低強度材料在殼體制造上的應(yīng)用，以從根本上降低殼體自重。簡化殼體的制造工藝。
②殼壁厚大，具有很好的“截面力學(xué)特性”，“截面慣性矩”I大，其殼體屈曲臨界壓力 ，遠遠大于低密度材料殼層在實際預(yù)壓層合時所需要的壓差值。從而能夠保證殼體預(yù)壓緊合時的受力穩(wěn)定。并且由于低密度材料殼層，在殼內(nèi)外氣壓相等的情況下使用時，能始終處于恒定的彈性回復(fù)的施力狀態(tài)，外層高彈模材料殼層，在低密度施力殼層彈性回復(fù)力的作用下，始終處于均勻的受拉張緊的理想受力狀態(tài)。因此，采用本發(fā)明提供的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”能從根本上保證殼體承重，受力的穩(wěn)定性、安全性和殼體布置的靈活性。(因為軟殼類球艇等必須在密閉的殼體空間內(nèi)增壓，才能保證殼層張力，而中間殼層施力的殼體卻可在殼內(nèi)外等壓狀況下，獲得的張力。其殼體無需一定密閉。如船身、機身、車廂等均可見開設(shè)窗口等，這是軟殼類殼體無法做到的)。
③由于殼壁厚大，密封距離長，且外層有整體鋪設(shè)的復(fù)合材料殼層(或內(nèi)外雙鋼質(zhì)殼層)以及低密度殼層材料受預(yù)壓緊合時的自行擠壓緊合，因此采用發(fā)明提供的方法制成的殼體具有極強的氣密能力。特別是飛艇在使用時，殼內(nèi)外氣體壓力基本相等，滲透壓力極小，所以能從根本上保證殼內(nèi)低密度貴重氣體(氫氣、氦氣)長期使用不滲漏。保證氣球、飛艇的留空時限和很好的免維護特性。由于該方法制造的殼體具有上述優(yōu)良特性，故可以采用該方法制造大型密封容器。
對材料、工件實施預(yù)壓是機械制造中常見的一種工藝方法。但是“利用殼內(nèi)外大氣壓差(或機械力)，對大尺寸殼體實施整體預(yù)壓，并在低密度材料殼層，處于預(yù)壓緊合的狀態(tài)下，使之與外層高彈模材料殼層直接層合。以及在撤除大氣壓載(或機械壓載)后，利用兩種不同性質(zhì)的材料之間的彈性模數(shù)差異，整體約束受壓殼層，使高彈模殼層獲得巨大的均勻的張力(即使殼體獲得巨大的整體剛度)卻是首例。也決非顯而易見。例如只有通過認(rèn)真分析、比較才能發(fā)現(xiàn)“依據(jù)本發(fā)明提供的方法制造的殼體，在抵抗受力變形的方式及原理上和軟殼類球艇是完全相同的。即都是”依靠提高殼體表面張力的方式，以實現(xiàn)抵抗殼體受力變形的目的”。所不同的是在提高與獲得張力的方法上(或采用的工作介質(zhì)上)。軟殼類球艇，采用了極為簡單直接增大殼內(nèi)低密度氣體壓力的方法。而硬殼球艇，卻是“依靠低密度、低彈模厚殼層預(yù)壓緊合后的巨大的彈性變形回復(fù)力”?？芍^異途同歸，但后者卻有著明顯和意想不到的效果。由于方式相同，因此硬殼球艇同樣可以采用增加殼內(nèi)氣體壓力的方法，進一步提高殼體張力。正如示例中所述。除此之外還有
④為能滿足氣球、飛艇“高承載、低升限”或“低承載、高升限”的特殊要求，可以在增大殼內(nèi)氣體壓力，保證高彈模材料殼層張力的情況下，拆除或部分拆除低密度材料殼層。以徹底降低殼體自重。但這一做法將會在一定程度上削弱殼體的受力穩(wěn)定性，并降低殼體的氣密能力。(一旦殼體因故發(fā)生破損，殼內(nèi)氣體壓力下降，殼體將會因自重等引起的簿壁殼屈曲穩(wěn)定遭致破壞。當(dāng)出現(xiàn)漏損內(nèi)壓下降時，可參閱下述發(fā)明提供的方法，在殼內(nèi)“空氣空間”迅速增補空氣，穩(wěn)定殼內(nèi)氣壓以防止殼體破壞)。
示例1中的飛艇若在殼內(nèi)增壓，高于外壓0.04×105帕?xí)r，即保證高彈模材料殼層縱向總張力為1570～2000噸的情況下，拆除低密度材料殼層中的空心圓柱筒部和一側(cè)的半球部分。即僅保留另一側(cè)半球的低密度材料殼層，艇身豎直使用，則飛艇的總承載力將能達到956噸，飛艇的合密度為0.32kg/m3，其輕載47噸時最大升限可達11千米。
⑤依據(jù)本發(fā)明制造的殼體，均為受縱向張力作用的殼體，均可以，以簡單實用的預(yù)壓緊合層合的工藝方法獲巨大的縱向張力。其殼體在抗壓、抗彎的能力及其力學(xué)結(jié)構(gòu)原理上，完全優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)殼體，如根據(jù)拉力與彎矩聯(lián)合作用下的正應(yīng)力計算公式 在僅僅只考慮高彈模材料殼層，在受彎矩M作用時，殼體受壓側(cè)的縱向張力與彎矩壓力之合等于零。即 的情況。(尚未考慮高彈模殼層材料自身的抗壓能力及低密度材料殼層及殼內(nèi)抗彎筋板的作用)那么，殼體在該狀態(tài)下所能承受的彎矩M為 根據(jù)上式可知；縱向張緊應(yīng)力 越大，M越大。當(dāng) 時，綜合考慮殼體受拉側(cè)的正應(yīng)力情況，即 可得出；殼體在該前提狀態(tài)下所能承受的最大彎矩 ，而由于一般高彈模材料的許用強度[σ]值均在2萬噸/米2以上，因此受縱向張力作用的殼體，在縱向張緊應(yīng)力 接近 時的抗彎能力是極強的，一般均能達到(萬噸·米)以上，所以本發(fā)明提供的殼體制造方法，完全能夠適應(yīng)其它受有一定彎矩作用的殼體制造.如示例2設(shè)某下潛深度為160米以下的大型潛艇，采用本發(fā)明提供的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體。其殼身長為100米，中間段長為90米，外徑為10米的空心圓柱筒，殼壁厚0.6米，兩端為同等壁厚，直徑為10米的半球。殼內(nèi)設(shè)置“井”字型分層隔倉或抗壓，抗彎筋板，筋板厚為0.45米。其“井”字形隔倉的橫截面積為15米2。殼體施力殼層，包括“井”字隔倉采用硬質(zhì)聚胺脂泡沫塑料II型，其材料密度ρ＝0.42×103kg/m3。材料的抗壓強度σ＝85kg/cm2。內(nèi)外高彈模材料，可選用普通鋼板，要求材料抗拉強度不低2800kg/cm2，外殼層平均厚度為0.1米。
實施預(yù)壓層合時，抽取殼內(nèi)全部氣體，并在殼外增壓至16×105帕，即使殼內(nèi)外產(chǎn)生約16個大氣壓差時，由該壓差作用，在施力殼層縱向產(chǎn)生的壓應(yīng)力 橫向壓應(yīng)力σ2＝79.4kg/cm2，均小于材料的許用強度。
由以上計算可知，低密度材料殼層所能獲得的縱向預(yù)壓緊力為12982.938噸，完全能夠滿足推進動力、運動阻力和下潛160米深度的要求。滿足前提條件，從而可以在不設(shè)置殼內(nèi)承力構(gòu)架(龍骨)的情況下，保證殼體的整體剛度。
當(dāng)撤除大氣壓載，使殼內(nèi)外氣體處于等壓狀態(tài)時，已獲得預(yù)壓緊力的低密度材料殼層的縱向彈性回復(fù)力，即作用于高彈模材料殼層的縱向總張力為12982.938噸。此力在高彈模殼層上產(chǎn)生的拉應(yīng)力為827kg/cm2，均小于材料許用強度。滿足殼體強度要求，在受彎矩作用時，僅考慮前述條件時，殼體所能承受的彎矩M為 其殼體完全具備抗驟風(fēng)、巨浪襲擊破壞的能力。
⑥、適合制造中間施力殼層的材料，以及預(yù)壓緊合的方法較多，便與設(shè)計與制造時選擇；a制造中間施力殼層的材料除了上述低密度、低彈模類的聚苯乙烯塑料泡沫，聚胺脂塑料泡沫之外，還有硬質(zhì)泡沫類材料，如泡沫鋁泡沫炭等，以及鋼質(zhì)或其它金屬材料。當(dāng)以硬質(zhì)材料制造中間施力殼層時，為能使該殼層獲得足夠的預(yù)壓緊力，在預(yù)壓緊合時必須使殼層產(chǎn)生足夠的彈性變形。因此在應(yīng)用硬質(zhì)材料預(yù)制成的厚板材、塊材壘建殼體時，應(yīng)在厚板材、塊材相互粘接的平面之間卡夾一定厚度的彈性材料(橡膠材料層)即可。同時為減輕殼體自重，厚板材、塊材，可預(yù)制成空箱型或蜂窩型結(jié)構(gòu)。B對中間施力殼層實施預(yù)壓緊合的方法，除了上述利用殼內(nèi)外大氣壓差之外，還有多種方法如采用螺栓預(yù)壓緊合等方法，該方法的具體過程是在預(yù)制的硬質(zhì)材料的厚板材、塊材的相互粘接的平面上，即兩兩板塊之間各設(shè)有螺栓孔，并安有螺栓。在實施預(yù)壓緊合時，利用螺栓對殼體的縱向和周向施力，使整個殼體產(chǎn)生縱向和周向的緊合，以達到使殼體產(chǎn)生預(yù)壓緊合變形的目的，當(dāng)該殼層和外層高彈模材料殼層層合完畢后，拆除螺栓，即撤除機械壓載即可。(其它方法略)
二、能使硬殼氣球飛艇安全充加氫氣，使用氫氣，并能控制其升降的“隔膜充氫氣及隔膜空氣重量增減法”1、為能使氣球飛艇獲得較大的剩余浮力，提高其運載能力，氣球飛艇所使用的氣體密度值，必須遠小于空氣密度。在低于空氣密度的各種氣體中，如熱空氣、熱二氧化碳?xì)怏w、氫氣、氦氣等氣體中，氫氣的密度值最小，且價格低廉，有著特殊的經(jīng)濟技術(shù)應(yīng)有價值。特別是氫氣尚可作為飛艇飛行的動力燃料使用，因此，氫氣的綜合利用價值是很高的。但是氫氣混入空氣后，極易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，引起爆炸，安全性能很差，因此，在向氣球、飛艇充加氫氣，以及在氣球、飛艇的使用過程中，都必須完全隔絕空氣，才能保證氣球飛艇的使用安全。
對于軟殼類的氣球、飛艇而言，由于其殼體是柔性的，當(dāng)向其殼內(nèi)，即球囊內(nèi)注入氫氣時，防止混入空氣的方法較為簡單。只需采用“擠壓排氣法”擠壓出氣囊內(nèi)的空氣，而后直接向殼內(nèi)加注氫氣即可。但是對于硬殼的氣球、飛艇，這種方法卻是根本無法采納的。通常采用的方法是“向下排空氣法”。如歷史上著名的“興登堡”飛艇就是采用這種方法?！跋蛳屡趴諝夥ā笔抢脙煞N氣體密度的差異實現(xiàn)的。當(dāng)向殼內(nèi)加注了密度較小的氫氣、氦氣后，由于其密度小于空氣密度，受空氣浮力的作用，浮于殼內(nèi)上端，下端的空氣則能從殼體下部開設(shè)的排氣口自然排出。這一方法，對于惰性的氦氣可以說是簡單有效的，但由于這一方法并不能完全隔絕空氣，用于易燃易爆的氫氣卻是極不可靠的。“興登堡”飛艇的爆炸已給出了例證。所以為能使硬殼的氣球、飛艇，安全的充入和使用氫氣，尚必須另辟溪徑，提供新的充加氫氣和使用氫氣的方法。
2、眾所周知氣球、飛艇的升降和升限的高低，均取決于氣球、飛艇的合密度大小，當(dāng)飛艇的合密度小于、等于及大于周圍空氣的密度時，飛艇將分別處于上升，懸浮和下降狀態(tài)。根據(jù)空氣密度ρ隨高度Z的變化關(guān)系式ρ＝ρ0(1-0.02257Z)4.256可知飛艇在不同的飛行高度Z1，Z2上所受到的空氣浮力F1，F(xiàn)2是不同的，兩者之間存在著一定的浮力差ΔF；ΔF＝F1-F2＝ρ0V[(1-0.02257Z1)4.256-(1-0.02257Z2)4.256]。
并且，飛艇的體積V越大，高度差Z2-Z1越大，浮力差ΔF也越大。所謂對飛艇的升降控制，實際上就是控制調(diào)節(jié)飛艇的合密度，使飛艇滿足浮力差的要求，只有在滿足上式所指的浮力差時，飛艇才能從高度Z1運動變化至另一高度Z2。
對于能夠改變自身體積的軟殼類氣球、飛艇而言，要滿足浮力變化的要求是比較容易實現(xiàn)的。如需要上升時，可以加大氣囊內(nèi)的氣體壓力，使氣囊膨大。而需要下降時，減小氣囊內(nèi)的氣壓，使氣囊縮小即可。但是對于不能改變自身體積的硬殼球艇而言，要滿足浮力變化的要求卻是十分困難的。特別是體積龐大，且升限要求較高的飛艇，要滿足浮力差的要求，則更加困難。如示例1所述的，其體積為987268米3的飛艇，若要從地面附近的懸浮狀態(tài)，上升至1000米的高度時，必須減載ΔF，即使重量減輕118噸，才能上升至預(yù)定的高度。為完成這一過程，一般可以采用“拋棄重物法”，拋棄攜帶的砂石、水或消耗掉部分燃料等。但反過來，飛艇若要從1000米的高度降至地面，則需在空中增加118噸載荷，或利用機械產(chǎn)生向下的作用力。但這對于有一定飛行高度，且運動速度較慢的飛艇而言，卻是極為困難的。既難以利用地面的水源、重物增加飛艇的飛行重量，也不能依靠機翼產(chǎn)生如此巨大的向下作用力。所以，為能控制飛艇的升降，尚需提供新的行之有效的方法。
本發(fā)明的目的就是要提供一種，既能使硬殼飛艇安全充加氫氣，又能控制飛艇升降的“隔膜充氫及隔膜空氣重量增減法”。
采用發(fā)明提供的方法，不僅能夠利用隔膜使飛艇在完全隔絕空氣的情況下，安全的充加氫氣和使用氫氣，降低飛艇的制造、使用費用，提高運載能力。而且能只利用飛艇原有的內(nèi)部空間和充氫時所使用的隔膜(即不增設(shè)其它儲氣空間，不另設(shè)隔膜)，依靠控制調(diào)節(jié)殼內(nèi)空氣重量，實現(xiàn)對飛艇升降的控制。
采用本發(fā)明提供的方法，能保證隔膜兩側(cè)的“空氣空間”、“氫氣空間”，氣壓嚴(yán)格相等，其相互之間的滲透壓力為零，而不發(fā)生相互滲透。不僅能夠保證飛艇充加氫氣、使用氫氣的安全以及很好的免維修特性，而且能夠隨時隨處的快速完成對飛艇升降的控制。
本發(fā)明提供的方法，不僅能適用于一般運載飛艇，而且能夠適用于特殊用途的“高承載、低升限”和“低承載、高升限”型飛艇。特別是在本發(fā)明提供的原理方法的基礎(chǔ)上，增設(shè)一層隔膜和相關(guān)措施后，能有效防止隔膜因故出現(xiàn)漏洞時，氫氣與空氣混合，可能引發(fā)的事故，保障載人飛艇的使用安全。
本發(fā)明的目的是依靠設(shè)置在飛艇殼內(nèi)的隔膜實現(xiàn)的。以下結(jié)合附圖1、2予以說明在壘砌低密度施力殼層(8)上半部分的同時，在殼體的上半部分的全部內(nèi)表面上，貼附一層薄膜(7)，要求簿膜有很好的氣密性。簿膜(7)與殼壁表面之間的粘接要小，即能使簿膜附著在殼壁上為宜。簿膜相互之間的拼接處必須粘牢不漏氣，簿膜的邊緣與殼壁粘牢且不漏氣。
1、利用簿膜的安全充加使用氫氣的方法。
當(dāng)向飛艇殼內(nèi)充加氫氣時，由設(shè)置在殼體上端的進氣口(11)，向簿膜(7)與殼壁之間的狹縫內(nèi)充入氫氣。受氫氣壓力的推動作用，隔膜(7)與殼壁表面脫離，并在殼內(nèi)向下運動。殼內(nèi)空間被隔膜(7)分隔成上下兩個密閉的部分；其上部是由隔膜(7)與殼內(nèi)上半部分內(nèi)表面構(gòu)成的“充氫空間”(5)，下部是隔膜(7)與殼內(nèi)下半部分內(nèi)表面構(gòu)成的“空氣空間”(6)?！俺錃淇臻g”(5)與“空氣空間”(6)由隔膜嚴(yán)格分開。當(dāng)持續(xù)地向“充氫空間”(5)充入氫氣后，隨著隔膜(7)不斷的下移，“充氫空間”(5)不斷擴大，“空氣空間”(6)逐步縮小，“空氣空間”(6)內(nèi)的空氣由設(shè)置在殼內(nèi)最下端的排氣口(12)排出。充氫持續(xù)至簿膜(7)與下半部分的內(nèi)表面貼合，“空氣空間”(6)內(nèi)的空氣完全排出，并使殼內(nèi)氫氣壓力達到設(shè)計要求為止(如示例1所述飛艇要求的充氫壓力為1.038×105帕)。
在上述利用隔膜的充氫過程中，由于充入的氫氣與殼內(nèi)外的空氣是完全隔開的。因此①采用本發(fā)明提供的充氫方法，完全能夠保證硬殼球艇能安全充入和使用氫氣。②由于簿膜是附著在殼壁內(nèi)表面上的，簿膜與殼壁之間的粘緊力極小，充入氫氣后能夠很容易的從殼壁內(nèi)表面上脫落。因此，“氫氣空間”的氫氣壓力與“空氣空間”的空氣壓力是近似相等的，相互之間的滲透壓力近似為零。故完全可以保證充入的氫氣不向空氣側(cè)滲漏。③由于在整個充氫過程中，簿膜兩側(cè)的氣體壓力相等，因此簿膜只受兩側(cè)氣體正壓力的作用，氣體在簿膜上不產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。所以a任何強度的簿膜，只要氣密性好，均可使用，不會產(chǎn)生拉伸或撕裂破壞。b簿膜可以很簿，自重量極輕，容易貼附在殼壁上。④由于采用本發(fā)明提供的方法在整個充氫過程中，“充氫空間”的氫氣壓力與“空氣空間”的空氣壓力始終是相等的，因此無論艇殼內(nèi)原有空氣壓力大于、小于或等于大氣壓力，只要充氫流量與空氣排放流量相等，那么均可在保持殼內(nèi)原有壓力的狀態(tài)下，完成充氫過程。
如對于示例中所述的特殊用途的“低承載、高升限”或“高承載、低升限”飛艇。在拆除低密度施力殼層時，必須使高彈模材料殼層保持足夠的張力。即需要在殼內(nèi)空氣壓力高于外部大氣壓的狀態(tài)下進行充氫，那么，只要充氫流量保持與空氣排出的流量相等，即可實現(xiàn)。
再譬如在飛艇殼體的制造過程中，高彈模復(fù)合材料殼層，與低密度施力殼層之間的層合，是在殼內(nèi)氣壓低于外部大氣壓力，即在低密度施力殼層處于預(yù)壓緊合的狀態(tài)下進行的。為了在此狀態(tài)下便于鋪設(shè)飛艇下半部分的高彈模材料，殼身最好能在預(yù)壓緊合的狀態(tài)下，從弧形凹槽中浮起，亦即需要在保持殼內(nèi)空氣壓力小于外部大氣壓的狀態(tài)下，充入一定量的氫氣。那么同理，只要充氫流量與空氣排出流量保持相等即可。
2、利用隔膜的飛艇升降控制方法“隔膜空氣重量增減法”。
本發(fā)明提供的飛艇升降控制方法，是依靠控制調(diào)節(jié)飛艇殼內(nèi)“空氣空間”(6)的空氣重量實現(xiàn)的。當(dāng)增加“空氣空間”(6)內(nèi)的空氣重量時，飛艇的飛行重量增加，合密度增大，飛艇處于下降狀態(tài)。反之，減小該空間的空氣重量時，飛艇的合密度減小，飛艇上升。如示例1所述的飛艇欲從1000米的飛行高度降至地面，為滿足浮力差ΔF，需要在空中增重118噸，那么僅需向艇殼內(nèi)的“空氣空間”(即由充氫隔膜與艇殼下半部分內(nèi)表面構(gòu)成的空間)內(nèi)，充入118噸空氣即可。
當(dāng)向殼內(nèi)“空氣空間”(6)持續(xù)地充入空氣時，原充氫后，貼合在殼體下半部分表面上的隔膜(7)，在充入空氣的推動下，與內(nèi)表面脫離，并在殼內(nèi)向上運動，使“空氣空間”(6)不斷擴大，“氫氣空間”(6)逐步縮小。隨著充入空氣重量的增加，飛艇的合密度增大，飛艇處于持續(xù)下降階段。在這一過程中，由于充入的空氣與殼內(nèi)的氫氣是被隔膜嚴(yán)格分隔開的，并且無論“氫氣空間”(6)在縮小時，是否向外部釋放氫氣，其“空氣空間”(6)與“氫氣空間”(5)的氣體壓力均是完全相等的。二空間氣體壓力保持著同步增減，因此隔膜(7)兩側(cè)的氫氣和空氣之間，不存在滲透壓，不會發(fā)生相互滲透。且隔膜只受兩側(cè)氣體正壓力的作用，不產(chǎn)生張力，不會發(fā)生拉伸、撕裂破壞。所以①采用本發(fā)明提供“隔膜空氣重量增減法”能夠保證氫氣的使用安全。對隔膜仍只是氣密好的要求。故完全可以利用飛艇原有內(nèi)部空間和隔膜，實現(xiàn)對飛艇的升降控制。
在向“空氣空間”充入空氣時，隨著“空氣空間”的擴大，“氫氣空間”是逐步縮小的。如果此時“氫氣空間”不向外部釋放氫氣。即既不向燃?xì)浒l(fā)動機輸送氫氣，也不向空中排放氫氣，那么在整個充入空氣的過程中，飛艇殼內(nèi)的氣體是增壓的(空氣空間與氫氣空間的氣體壓力同步增減)。而由于實際所要求的充入空氣的重量在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，所占體積與飛艇內(nèi)部空間體積相比是很有限的。如升限在1000米以內(nèi)的運載飛艇，一般要求充入的空氣重量體積，約為殼內(nèi)總體積的1/10，那么根據(jù)“理想氣體狀態(tài)方程”可知在充入該重量體積的空氣后，艇殼內(nèi)氣體所增壓力是不高的。一般均小于0.1×105帕。如示例1所述飛艇，欲從1000米的飛行高度降至地面，需充入118噸空氣，該重量的空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下(即氣壓為1.013×105帕，密度為1.29kg/m3時)所占體積為91472米3。不足飛艇空間體積987268米3的1/10，當(dāng)充入該重量體積的空氣后，殼內(nèi)氣體所增壓力僅只有0.094×105帕，所以③采用本發(fā)明提供的方法能夠快速完成飛艇的升降控制。因為向殼內(nèi)充入空氣時，要求空壓機的壓縮比很小，完全可以采用大流量風(fēng)扇式空壓機或者多處安裝普通通風(fēng)設(shè)備，從1000米降至地面一般均可在30分鐘內(nèi)完成，不僅可以隨時隨處快速控制飛艇的升降，而且具備蓄能特性。當(dāng)飛艇需要上升時，由于殼內(nèi)空氣壓力高于外部空氣壓力，僅需打開通氣口，殼內(nèi)空氣自行流出即可。
除此之外，由于充入空氣后，殼內(nèi)氣體所增壓力是有限的，不足0.1×105帕，并且充入的空氣在殼內(nèi)是均勻分布的，殼內(nèi)任意一點的氣體壓力均是相等的，因此飛艇高彈模材料殼層所增加的張力也是有限的和均勻的。所以④采用本發(fā)明提供的方法時，殼體的強度是足夠的，完全可以保證飛艇的使用安全和運動的穩(wěn)定。如示例1所述飛艇，在充入118噸空氣，即殼內(nèi)增壓0.1×105帕后，其高彈模材料殼層的縱向拉伸應(yīng)力僅為1009kg/cm2，周向拉伸應(yīng)力為2018kg/cm2，均仍在許用強度的范圍內(nèi)。玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗拉強度為3010kg/cm2。(這里注意到，周向拉伸應(yīng)力較大是縱向應(yīng)力的一倍，所以在鋪設(shè)高彈模材料殼層時，應(yīng)在殼體的周向多增設(shè)加強筋，并在加強筋內(nèi)設(shè)置少量非晶態(tài)抗拉鋼絲，如φ0.18mm的非晶態(tài)，F(xiàn)e75B10Si15合金絲，其強度高達3500MP，即35714kg/cm2，以增大殼層周向截面，和提高周向抗拉伸能力。
對于一般升限在1000米以內(nèi)的飛艇，在充入所要求的空氣重量體積之后，由于殼內(nèi)所增壓力不高，殼體的強度能夠保證，所以在充入空氣時，無需向殼外輸送或排放氫氣。并且由于二空間氣體始終保持等壓狀態(tài)，不存在滲透壓力，氫氣不會向外部滲漏。所以⑤采用本發(fā)明提供的方法，具有很高的免維護特性，完全可以保證殼內(nèi)氫氣長期反復(fù)使用。
⑥本發(fā)明提供的“隔膜空氣重量增減法”同樣能適用于“低承載、高升限”類球艇。其所不同的是，在充入空氣時，“氫氣空間”必須向外部空間釋放氫氣。以在充入空氣時降低高彈模殼層的張力。因為“高升限”飛艇的浮力差很大，要求充入的空氣重量體積遠大于升限在1000米以內(nèi)的飛艇，雖然充入空氣后，殼內(nèi)所增壓仍然有限，但由殼內(nèi)增壓而引起的張力卻是不容忽視的。雖然可以采用增加高彈模殼層厚度的方法，以保證殼體強度。但由于這一方法會使殼體自重增大，降低飛艇升限，所以較理想的方法是采用向外部釋放氫氣的方法，即向燃?xì)浒l(fā)動輸送氫氣。以降低殼內(nèi)氣體壓力，減小殼層所受張力。
⑦為能進一步保證氫氣的使用安全，特別是保證載人飛艇的使用安全?？梢栽诒景l(fā)明所提供的方法原理的基礎(chǔ)上，在殼體下半部分內(nèi)表面上再增設(shè)，貼附一層簿膜(10)，以使充“氫氣空間”和“空氣空間”不再共用同一塊隔膜，使二空間成為被雙層隔膜(7)和(10)，以及雙層隔膜之間充有一定厚度的惰性氣體(氦氣)層(13)分隔開的相互獨立的空間。采用這一措施，不僅能更嚴(yán)格地分隔殼內(nèi)氫氣和空氣，而更重要是它能有效防止簿膜因故出現(xiàn)漏洞時，氫氣與空氣混合而可能引發(fā)的事故。如因故在上下層隔膜上都產(chǎn)生了漏洞，即在惰性氣體層(氦氣層)中同時混入了一定量的氫氣和空氣。由于氫氣密度小于氦氣，浮于氦氣層之上，空氣密度大于氦氣，處于氦氣層之下，因此混在氦氣層中的空氣和氫氣，能被氦氣隔開，而不能發(fā)生反應(yīng)，所以采用這一方法措施，能更進一步地保證載人飛艇的使用安全。在殼內(nèi)設(shè)置兩層隔膜并在兩層隔膜之間充入氦氣的方法是在壘砌粘接中間施力殼層的同時，在殼體的上半部分和下半部分的內(nèi)表面上，分別各貼附一層簿膜(7)和(10)，當(dāng)從殼體上端的氫氣進出口(11)持續(xù)充入氫氣后，貼附在上半部分內(nèi)表面上的簿膜(7)與內(nèi)表面脫離，并下移，直至該簿膜(7)與下半部分隔膜(10)相互貼合，殼內(nèi)空氣排盡為止，這時在兩層簿膜之間充入氦氣(13)即可。這種載人氣球、飛艇的“氫氣空間”(5)是由上層簿膜(7)與殼體上半部分內(nèi)表面構(gòu)成的。而“空氣空間”(6)是由下層簿膜(10)與殼體下半部分內(nèi)表面構(gòu)成的。
權(quán)利要求
1.一種能安全使用氫氣，并能控制其升降的硬殼氣球、飛艇，它是由殼體(1)——俗稱氣囊，充入在殼內(nèi)的氫氣或氦氣(2)、載人或載貨倉室(3)、以及安裝在殼體外部的動力推進裝置(4)四個部分組成，其外形可以有多種樣式如球形、橢球形、膠囊藥丸形，該氣球、飛艇是完全依靠空氣提供的浮力，實現(xiàn)空中懸浮，以完成廣播、通訊空中平臺所應(yīng)完成的工作，當(dāng)殼外安裝了動力推進裝置(4)后，即為飛艇，主要完成空中運輸、吊運工作，其特征在于該氣球、飛艇的殼體為硬質(zhì)材料，其殼體采用的是一種無內(nèi)部框架的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”，在其殼內(nèi)設(shè)有一層或多層，能將殼內(nèi)空間分隔成“氫氣空間”(5)和“空氣空間”(6)的整塊隔膜(7)，其安全充加氫氣，使用氫氣，以及其升與降的控制，依靠的是一種“隔膜充氫及隔膜空氣重量增減法”。
2.用于權(quán)利要求1所述氣球、飛艇的，一種無內(nèi)部框架的殼體——“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”，其特征在于A結(jié)構(gòu)特征該殼體為多層層合結(jié)構(gòu)，它分別由中間施力殼層(8)與外層高彈性模數(shù)材料殼層(9)層合構(gòu)成，或由中間施力殼層與內(nèi)、外高彈模材料殼層，層合構(gòu)成，其高彈性模數(shù)材料殼層(9)，可以是纖維復(fù)合材料殼層，或是內(nèi)、外鋼質(zhì)材料雙殼層，或是設(shè)置于殼壁內(nèi)的高強度工程塑料構(gòu)架層，其中間施力殼層(8)由低密度或低彈性模數(shù)材料構(gòu)成，其材料可以是聚苯乙烯塑料泡沫，或是硬質(zhì)聚胺脂泡沫塑料(I)型、(II)型，B技術(shù)特征；該殼體的施力殼層(8)，在制造過程中，能通過預(yù)壓緊合——層合工藝，超前完成受力變形，并能將其在預(yù)壓緊合——層合的工藝過程中獲得的預(yù)壓緊力，通過材料彈性變形回復(fù)力的方式，施力作用于層合在其外的高彈性模數(shù)材料殼層(9)上，使高彈性模數(shù)材料殼層(9)能在殼內(nèi)外氣壓相等的狀態(tài)下，以及工作壓力小于預(yù)壓緊力的工作狀態(tài)下，處于受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”，該殼體是以其自身所獲得的張力，實現(xiàn)抵抗殼體受力變形的目的，和避免工作受壓時，殼體可能出現(xiàn)的“簿壁殼受壓屈曲穩(wěn)定問題”的，這種結(jié)構(gòu)的殼體的用途是專用于硬殼氣球、飛艇和應(yīng)用于船身、機身、潛艇、車廂以及密封容器，殼式建筑大型承力殼體的制造。
3.一種能實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的“多層層合，中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”的制造方法，其方法過程如下A、用低密度材料預(yù)制成的厚板材、塊材，依附預(yù)先挖掘或搭建的半圓弧形凹槽(14)，采用建筑壘砌磚塊的方法，交錯排列，直接粘接成中間施力殼層的殼體(8)，在粘接時，首先粘出一個圓拱環(huán)段(15)，由于厚板材之間是交錯排列的，厚板材兩兩之間在粘接成圓拱環(huán)段后，能自然形成凹槽(16)，而后利用所形成的凹槽(16)從殼體的徑向或軸線方向插入粘接下一塊厚板或塊材，直至達到該施力殼層設(shè)計要求的尺寸和模樣為止，封閉其門、窗、進排氣口部分，使該殼層成為完全封閉的空間。B、抽取密閉殼內(nèi)的部分、或全部空氣，或采用殼外增加空氣壓力的方法，形成殼內(nèi)外大氣壓差，即利用所形成的大氣壓差，在其材料的彈性變形范圍內(nèi)，對所制成的中間施力殼層(8)實施整體預(yù)壓，使該殼層產(chǎn)生緊合、變形，直至厚板材、塊材之間的緊合力、擠壓應(yīng)力達到設(shè)計要求為止。C、保持殼內(nèi)負(fù)壓值，即在保持殼內(nèi)外大氣壓差的情況下，實施高彈性模數(shù)材料殼層(9)與處于預(yù)壓緊合變形狀態(tài)下的施力殼層(8)之間的層合，即在處于預(yù)壓緊合變形狀態(tài)下的中間施力殼層之上，用現(xiàn)有技術(shù)中的“手工糊制成型法”或“注射成型法”，整體鋪設(shè)纖維復(fù)合材料殼層，或內(nèi)外鋼質(zhì)材料雙殼層，或壁內(nèi)局部的、整體的高強度工程塑料構(gòu)架層。D、待整體鋪設(shè)的纖維復(fù)合材料殼層固化后，及上述步驟完成后，撤除大氣壓載，即拆除門、窗、進排氣口工藝密封部分，使殼體內(nèi)外氣體恢復(fù)至常壓，撤除大氣壓載后，已發(fā)生過預(yù)壓緊合變形的中間施力殼層(8)，則能以材料彈性變形回復(fù)力的施力方式，施力作用于層合在其外的高彈性模數(shù)材料殼層(9)上，使之在殼內(nèi)外氣壓相等的狀況下，始終處于受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”，并以此獲得的張力實現(xiàn)抵抗殼體受力變形之目的。
4.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的，一種能使硬殼氣球、飛艇安全充加氫氣，使用氫氣，并能控制其升降的“隔膜充氫及隔膜空氣重量增減法”，其方法過程如下A、在壘砌中間施力殼層(8)上半部分殼體的同時，在殼體上半部分的全部內(nèi)表面上，貼附一層簿膜(7)，要求簿膜有很好的氣密性，簿膜與殼壁表面之間的粘接力要小，即能使簿膜附著在殼壁上為宜，簿膜相互之間的拼接處必須粘牢，不漏氣，簿膜的邊緣與殼壁也必須粘牢，不漏氣。B、當(dāng)向殼內(nèi)充加氫氣時，由設(shè)置在殼體上端的氫氣進出口(11)向簿膜與殼壁之間的狹縫內(nèi)充入氫氣，受氫氣的推動作用，簿膜與殼壁內(nèi)表面脫離，并在殼內(nèi)向下運動，殼內(nèi)空間自然的形成兩個被隔膜分隔的密閉部分，其一是“氫氣空間”(5)，隨著氫氣充入量的增大該空間逐步擴大，另一個是“空氣空間”(6)，隨著氫氣充入量的增大，該空間逐步縮小，其內(nèi)的空氣由設(shè)置在殼體下部的空氣進出口(12)排出，持續(xù)充氫至簿膜(7)與殼體下半部分內(nèi)表面貼合，“空氣空間”的空氣完全排出，并使殼內(nèi)氫氣壓力達到設(shè)計要求為止。C、氣球、飛艇的升與降的控制，是依靠調(diào)節(jié)控制殼內(nèi)“空氣空間”的空氣重量實現(xiàn)的，其方法是當(dāng)氣球、飛艇欲從某飛行高度下降時，由設(shè)置在殼體下部的空氣進出口(12)向殼內(nèi)的“空氣空間”持續(xù)地充入空氣，原充氫后貼合在殼體下半部分內(nèi)表面上的簿膜在充入空氣的推動下，與內(nèi)表面脫離，并在殼內(nèi)向上運動，使“空氣空間”逐步擴大，“氫氣空間”逐步縮小，隨著充入的空氣重量的增加，氣球、飛艇的合密度增大，飛艇處于下降階段，反之氣球飛艇需重新上升時，打開殼體下端的空氣進出口(12)，將“空氣空間”的空氣排出殼外即可，在上述過程中“氫氣空間”是逐步縮小的，殼內(nèi)氣壓逐步增大，其內(nèi)的氫氣是否向外部排出，視氣球飛艇的種類而定一般運載氣球、飛艇，載人氣球、飛艇以及“高承載，低升限”類飛艇，在“氫氣空間”縮小時，可以不向外排放氫氣，而“低承載，高升限”類氣球、飛艇，則需在“氫氣空間”縮小的過程中，向殼體外部排放氫氣，以降低殼內(nèi)氣體壓力，保證該種類氣球飛艇殼體的抗拉強度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬殼氣球、飛艇，當(dāng)以之作為載人氣球、飛艇使用時，其特征在于在其殼內(nèi)設(shè)置了兩層隔膜(7)和(10)，并在兩層隔膜之間充入了一層厚度大于0.2米的隋性氣體層——氦氣層(13)，設(shè)置兩層隔膜和在兩層隔膜之間充入隋性氣體的方法是在壘砌粘接中間施力殼層(8)的同時，在殼體的上半部分和下半部分的內(nèi)表面上，分別各貼附一層簿膜(7)和(10)，當(dāng)從殼體上端的氫氣進出口(11)持續(xù)充入氫氣后，貼附在上半部分內(nèi)表面上的簿膜與內(nèi)表面脫離，并下移，直至該簿膜與下半部隔膜相互貼合，殼內(nèi)空氣排盡為止，這時在兩層簿膜之間充入氦氣即可，這種載人氣球、飛艇的“氫氣空間”(5)是由上層簿膜(7)與殼體上半部分內(nèi)表面構(gòu)成的，而“空氣空間”(6)是由下層簿膜(10)與殼體下半部分內(nèi)表面構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬殼氣球、飛艇，為滿足其“高承載”或“高升限”的特殊用途，即當(dāng)以之作為“高承載、低升限”或“低承載、高升限”型氣球、飛艇使用時，其特征在于為能使該類型氣球、飛艇，滿足其“高承載”或“高升限”的特殊使用目的，必須從根本上減輕殼體自重，其具體做法是在利用隔膜完成充氫，或在殼內(nèi)氣體增壓，保證高彈模材料殼層所受張力大于0之后，拆除或部分拆除中間施力殼層，對于“高承載、低升限”類氣球、飛艇，最適宜采用部分拆除中間施力殼層并使其垂直使用的方案，拆除時可采用以下現(xiàn)有技術(shù)A手工拆除，B機械拆除，C化學(xué)藥劑溶解。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能安全使用氫氣,并能控制其升降的硬殼氣球、飛艇。特別是公開了一種專用于硬殼氣球、飛艇,并能廣泛應(yīng)用于船身、潛艇、車廂等大型承力殼體制造的“多層層合、中間殼層施力的新型結(jié)構(gòu)殼體”及其制造方法。該殼體為無框架多層層合結(jié)構(gòu),其中間施力殼層能以材料彈性變形回復(fù)力的方式,施力作用于高彈模材料外殼層,使之在殼內(nèi)外等壓狀況下始終處于受拉張緊的“理想受力狀態(tài)”并以此所獲得的張力,實現(xiàn)抵抗殼體受力變形之目的,避免“薄殼受壓屈曲穩(wěn)定”問題。
文檔編號B64B1/00GK1359827SQ0013650
公開日2002年7月24日 申請日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者張濤 申請人:張濤