本發(fā)明屬于航空航天技術領域，具體涉及一種以流體力學、氣體力學、材料力學、結構力學為指導，以高性能新型材料為基礎設計出的新型真空式浮力飛行裝置。

背景技術：

真空飛艇（Vacuum Airship）是一種以真空容器取代氫氣容器或氦氣容器來提供升力的假想中的飛艇。所謂“真空”，是指在給定的空間內，壓強低于101325帕斯卡(即一個標準大氣壓強約101KPa)的氣體狀態(tài)。此構想最早由意大利的Francesco Lana de Terzi在1670年提出，真空球是浮力升力終極的實現(xiàn)方法。因為1標準大氣壓=101325 N/平方米。也就是說如果建造一艘真空飛艇，那么飛艇的浮力裝置（真空艙）在標準大氣壓下每平米將會受到10噸左右的大氣壓。近年來雖然材料科學不斷發(fā)展，但至今還未出現(xiàn)商業(yè)化的，能夠支撐10噸/平方米輕質剛體結構的材料。即使利用石墨烯等尚未量產的新型材料勉強制造成功，所能產生的經濟效益也遠低于制造其所花費的成本。因此，真空飛艇的愿景雖然十分美好，但大多數(shù)人的頭腦中對真空飛艇的第一印象都是“不可能”！

參考文獻：

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注：文獻[2]屬于本人已申請未公開發(fā)明專利，其主要內容為利用多腔體氣囊結構通過對不同腔體內充入不同壓強的氣體獲得更加優(yōu)良的力學性能。充氣展開結構內的多氣囊結構組成的智能化細胞式充氣剛體的力學特征比傳統(tǒng)單腔體氣囊結構更為優(yōu)秀，有助于本發(fā)明實施。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種基于結構力學和新型材料設計的真空式浮力飛行裝置。具體的說本發(fā)明是以流體力學、氣體力學、材料力學、結構力學為指導，以高性能新型材料為基礎設計出的新型真空式浮力飛行裝置。

最初，我在網絡上看到“真空飛艇”這個概念的時候也覺得這個想法很可笑。因為1標準大氣壓=101325 N/平方米。也就是說如果建造一艘真空飛艇，那么飛艇的浮力裝置（真空艙）在標準大氣壓下每平米將會受到10噸左右的大氣壓。雖然高分子復合材料在抗拉強度方面已經能夠滿足要求，但真空飛艇的真空艙與傳統(tǒng)氣囊式飛艇的氣囊存在本質性的差異。傳統(tǒng)氣囊式飛艇一般采用柔性氣囊，其主要功能為抵抗氣囊內部氣體壓力,并防止輕質氣體逸散。而真空艙則需要一個剛體結構支撐出一個空間，將空間內部氣體抽出后利用剛體結構自身剛度抵抗大氣壓。根據(jù)浮力公式可以計算出，真空式浮力飛行裝置總質量如果小于其排開氣體總質量，則這個真空式浮力飛行裝置能夠獲得浮力并在大氣中上浮。

假設以碳纖維復合材料(CFRP)制造這個真空艙的剛體結構，為滿足其在標準大氣壓下不變形的要求勢必要采用厚重的多層外殼結構。而多層外殼結構不但造成自重增加，建造成本提升，可靠性降低等問題，而且其攜帶能力也會大幅降低。從本質上講，除非材料科學出現(xiàn)跨越性發(fā)展，否則真空飛艇一無是處。

去年，我對真空飛艇做了一個可行性論證。研究發(fā)現(xiàn)如果想要以現(xiàn)有輕質剛體材料支撐真空飛艇，除非地球大氣壓降低至原有水平的1/10。為此我設計了“長效真空艙衛(wèi)星” [參考文獻1]，并以此為基礎不斷完善真空飛艇相關數(shù)據(jù)和可靠性。

經過長時間研究，利用結構力學、有限元分析以及新材料參數(shù)的計算，我找到了一種繞過輕質剛體結構這一難點，以當今現(xiàn)有材料制造真空飛艇所用真空艙的方法。

真空飛艇設計制造的最大難點在于標準大氣壓下的輕質真空艙制造。輕質真空艙凈重必須低于真空艙創(chuàng)造真空環(huán)境產生的浮力，也就是說真空艙自重均值必須比空氣輕。同時，傳統(tǒng)輕質氣體飛艇雖然有各種不足，但他依然屬于一種成熟產品。因此，真空飛艇的造價不能超出傳統(tǒng)輕質氣體飛艇太多。

在滿足上述條件的前提下，本人設計了這種基于結構力學的真空式浮力飛行裝置。

如前文所述，真空式浮力飛行裝置最大的問題有兩個。一個是需要足夠強度的剛體結構抵抗每平米10噸左右的大氣壓，另一個是真空艙本身自重不能超過真空艙所能產生的浮力。

在標準大氣壓下，空氣重約1.293KG/立方米。也就是說真空艙包括剛體結構和攜帶物總重平均到真空艙排開空氣的體積時每立方米的平均重量必須比空氣輕，否則真空艙無法上浮。

上述條件導致，剛體結構不可能是當今已經商業(yè)化的任何剛體材料。雖然碳纖維管材料較輕，但固化為支撐結構以后自重依然遠大于空氣。除了傳說中的石墨烯，我沒發(fā)現(xiàn)任何能夠直接應用的剛體材料能夠滿足真空飛艇的剛體制造要求。當然，石墨烯距離進入商品化應用階段還有很長的路要走，這里暫且不予考慮。

在閱讀文獻[參考文獻4]時，輕質加壓管結構為我?guī)砹遂`感。（輕質加壓管也稱充氣管、薄膜管、太空管、充氣梁、充氣膜結構、充氣展開結構等）。

真空艙本質上就是利用剛體結構抵抗外部大氣壓。也就是說只要剛體結構產生的應力與外界大氣壓力持平，就能維持真空艙自身空間不被大氣壓縮變形。如果采用輕質加壓管結構，就可以實現(xiàn)以大氣壓對抗大氣壓的力學效果。

當今復合材料發(fā)展極為迅猛，結構強度屢創(chuàng)高峰。以PBO材料為例，其拉伸強度≥5.8GPa，模量280GPa，耐熱溫度達到600℃，而他的密度只有1.56g/立方厘米。

注：1標準大氣壓=9.8MPa，1GPa=1000MPa。

制造真空裝置所需材料其實并不像大多數(shù)人想象中那么困難。1標準大氣壓大致相當于每平米10噸的壓力，聽起來是個很大的數(shù)字，但仔細計算后會發(fā)現(xiàn)其實并不是什么不可能解決的問題。以日常生活中常見的可樂瓶為例，其采用的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯。一個合格的可樂瓶能夠承受10個標準大氣壓，也就是說我們每天都看到的可樂瓶材質每平米能夠承受100噸的壓力。而當今能夠工業(yè)化生產的各種復合材料耐壓強度遠超聚對苯二甲酸乙二醇酯，因此商業(yè)化制造真空飛艇的材料問題對如今的材料科技已經不再是瓶頸。

采用高分子復合材料制備輕質加壓管,其強度完全可以滿足真空艙剛體結構強度的需求。在有限元模擬實驗中，輕質加壓管內部只需要3個標準大氣壓即可抵抗外界標準大氣壓所產生的壓力。如圖1所示，真空式浮力飛行裝置真空艙結構示意圖。

如果采用單純的輕質加壓管結構用以抵抗外界大氣壓，輕質加壓管充氣后的自重與外界大氣壓有可能持平。因此單純的輕質加壓管結構并不能為真空艙帶來太大浮力。同時，輕質加壓管一旦發(fā)生泄漏也可能會對真空式浮力飛行裝置造成毀滅性后果。因此，我設計了[參考文獻2]智能化細胞式充氣剛體結構。

以智能化細胞式充氣剛體結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)單腔充氣管，能夠獲得更理想的力學性能。同時，如果采用多腔體結構能夠進一步提升真空式浮力飛行裝置的安全性。如圖1所示，利用智能化細胞式充氣剛體結構組成的真空艙支撐系統(tǒng)。（文中所述充氣結構均可采用傳統(tǒng)充氣結構或是智能化細胞式充氣剛體結構或是兩者結合，選用不同方式不影響本發(fā)明權屬）。

如文獻[5]所述充氣結構，尤其是充氣管結構的軸向受壓屈曲載荷可通過有限元設計計算出充氣管軸向耐壓強度。經計算，充氣管軸向耐壓強度大于徑向耐壓強度和剪切強度。同時，以充氣結構為桿件制成的空間網格結構強度大于環(huán)境大氣對蒙皮上產生的壓強。如果代入智能化細胞式充氣剛體結構數(shù)據(jù)后，還能夠進一步提高空間網格的結構強度。而這種空間網格結構自重遠低于傳統(tǒng)剛體結構。

綜合上述情況可以計算出，如果以充氣結構（智能化細胞式充氣剛體結構）制造充氣式空間網格結構桁架，并以這種充氣桁架支撐蒙皮結構，即可獲得一個輕質耐壓真空艙。以此種方法制造的輕質耐壓真空艙擁有自重輕、能抵抗外部強壓等特征，是制造真空式浮力飛行裝置的理想材料。

真空式浮力飛行裝置主要由真空艙1、能源系統(tǒng)2、動力系統(tǒng)3、負載系統(tǒng)4、監(jiān)測系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、通信系統(tǒng)7、自動修復系統(tǒng)8組成。其中真空艙主要由蒙皮9、桁架10、真空泵11組成。桁架10主要由桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成。

真空艙1是真空式浮力飛行裝置的核心，其主要特征為利用蒙皮9、桁架10、真空泵11組成一個輕質剛體空間結構。利用真空泵11將真空艙1內的氣體抽出后使真空式浮力飛行裝置自重比空氣輕，繼而在大氣環(huán)境中獲得浮力。真空式浮力飛行裝置內可以有一個或一個以上的真空艙1。

能源系統(tǒng)2是真空式浮力飛行裝置的能源系統(tǒng)總成。其中包括能源供應系統(tǒng)、能源儲存系統(tǒng)和能源消耗系統(tǒng)三部分。能源供應系統(tǒng)包括太陽能電池組、風力發(fā)電機組、內燃機發(fā)電機組、燃料電池組、核動力發(fā)電機組等能夠提供能源供應的裝置。能源儲存系統(tǒng)包括電池組、蓄電池組、飛輪儲能裝置、壓縮空氣儲能裝置等儲能裝置。能源消耗系統(tǒng)為真空式浮力飛行裝置所需的一切能源消耗系統(tǒng)總成。無論是飛行裝置自身各種設備的能源消耗還是負載的其他裝備的能源消耗均歸屬能源消耗系統(tǒng)。

動力系統(tǒng)3是真空式浮力飛行裝置在大氣中運動的動力系統(tǒng)總成。真空式浮力飛行裝置在飛行過程中需要進行前進、后退、上升、下降、轉向等動作均需要動力系統(tǒng)進行驅動。為了獲得理想的驅動力，可以采用螺旋槳驅動的發(fā)動機或是噴射引擎驅動的發(fā)動機。發(fā)動機可以是固定的，也可以是由萬向軸驅動自由旋轉的。真空式浮力飛行裝置大致情況與傳統(tǒng)飛艇相當。因此，動力系統(tǒng)3可以直接引用傳統(tǒng)飛行器的動力系統(tǒng)設計。

負載系統(tǒng)4為包括吊艙在內的負載系統(tǒng)總成。真空式浮力飛行裝置的本質是利用真空艙1的浮力攜帶重物浮空，其主要負載方式為吊艙結構。將吊艙與真空艙相連，在吊艙內放置負載或直接將負載固定在真空艙內外，或是將桁架結構與真空艙1相連接，后將負載固定在桁架結構上。真空式浮力飛行裝置大致情況與傳統(tǒng)飛艇相當。因此，負載系統(tǒng)4可以參考傳統(tǒng)浮空式飛行器的負載系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)5是真空式浮力飛行裝置上各種監(jiān)測裝置的統(tǒng)稱。監(jiān)測系統(tǒng)5可以由光學探測器、壓力探測器、溫度探測器、超聲波探測器、電磁波探測器、電子羅盤等多種探測設備組成，其主要功能為能夠隨時監(jiān)測整個真空式浮力飛行裝置各系統(tǒng)是否健康，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)6進行分析。監(jiān)測系統(tǒng)5可以同時監(jiān)測真空式浮力飛行裝置內部和外部的所有信息。

控制系統(tǒng)6是一種智能化控制系統(tǒng)，為真空式浮力飛行裝置的控制中樞。控制系統(tǒng)6利用計算機或是人工方式對真空式浮力飛行裝置的真空艙1、能源系統(tǒng)2、動力系統(tǒng)3、負載系統(tǒng)4、監(jiān)測系統(tǒng)5、通信系統(tǒng)7、自動修復系統(tǒng)8、真空泵11、或是真空式浮力飛行裝置內的其他設備進行控制。

通信系統(tǒng)7是真空式浮力飛行裝置的通信中樞。真空式浮力飛行裝置的通信分為內部通信和外部通信。其中內部通信主要是真空艙1、能源系統(tǒng)2、動力系統(tǒng)3、負載系統(tǒng)4、監(jiān)測系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、通信系統(tǒng)7、自動修復系統(tǒng)8、真空泵11之間的通信以及真空式浮力飛行裝置所攜帶乘員的通信等。對外通信則根據(jù)真空式浮力飛行裝置具體工作情況而定。通信系統(tǒng)組成的通信網絡可以是有線通信，也可以是無線通信。

自動修復系統(tǒng)8是能夠利用自動化裝置對真空式浮力飛行裝置進行簡單修復的裝置。在本發(fā)明中，自動修復系統(tǒng)8的主要工作方式為利用機器人能夠在輸氣管道中自由移動的特性，當監(jiān)測系統(tǒng)5發(fā)現(xiàn)異常情況時控制系統(tǒng)6利用通信系統(tǒng)7控制自動修復系統(tǒng)8前往異常情況所在地，根據(jù)實際情況進行處理。自動修復系統(tǒng)8遙控機器人處理異常情況可以由計算機自動控制完成，也可以由人工進行手工控制完成。自動修復系統(tǒng)8最大優(yōu)勢在于運行過程中如果發(fā)現(xiàn)氣囊局部泄漏可以由機器人前往泄漏地點進行蒙皮修補。

蒙皮9可以是單層薄膜結構，也可以由若干個氣囊組成的復合結構。如[參考文獻2]所述，多氣囊結構組成的充氣式剛體結構可以呈現(xiàn)特定的力學效應。由若干個氣囊結構組成的蒙皮9可以組成拱形結構，利用拱形結構將蒙皮外的大氣壓力分散轉向并相互抵消，從而使蒙皮9能夠抵抗外界大氣壓。為了獲得足夠的剛度，可在氣囊內安置桁架，也可在氣囊外安置桁架。利用桁架補充氣囊本身應力強度，能夠滿足真空艙1對抗外界大氣壓的要求（圖2、圖3、圖4、圖5）。

桁架10主要由桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成。在本發(fā)明中，桁架10的主要作用是為蒙皮9提供足夠強度的力學支撐。為了抵抗外界大氣壓，由蒙皮9與桁架10組成輕質剛體外殼。桁架10可以安裝在蒙皮9內部，也可以安裝在蒙皮9外部。利用桿件12、充氣桿件13、拉繩14組成的立體結構擁有理想的力學性能和相對較輕的質量，是蒙皮9的理想補充。為了盡可能降低桁架10的重量，可以采用網格結構組成立體球面桁架。例如采用“富勒球結構”組成的桁架就是一種非常理想的桁架支撐結構。[參考文獻6、7、8]在本發(fā)明中，桁架結構可以采用球形結構，也可以采用其他結構。

真空泵11的主要功能是為真空艙1、蒙皮9、充氣桿件13或其他氣囊提供正壓或負壓供氣。在本發(fā)明中，可以利用真空泵11提供負壓，將真空艙1內部氣壓降低，繼而使真空艙獲得浮力。也可以利用真空泵11為蒙皮9、充氣桿件13或其他氣囊提供正壓充氣，使其擁有一定的力學強度。在本發(fā)明中，真空泵11可以為一臺，也可以為多臺。真空泵11的工作模式可以為單獨工作也可以聯(lián)合工作。

桿件12由各種輕質剛體結構組成。雖然充氣桿件13能夠滿足大多數(shù)情況下剛體結構的力學要求，但不排除某些特殊情況下依然需要普通輕質剛體結構。由這些輕質剛體結構組成的桿件12是對整個真空式浮力飛行裝置的重要補充。

充氣桿件13是由充氣管結構組成的輕質剛體結構。充氣桿件13可以由傳統(tǒng)充氣管組成，也可以由智能化細胞式充氣剛體結構[參考文獻2]組成。充氣桿件13的主要特征為輕質耐壓剛體結構，如文獻所述[參考文獻5、12、13、14]充氣管擁有較輕的自重，并在軸向力方面有優(yōu)良表現(xiàn)。利用智能化細胞式充氣剛體結構[參考文獻2]所述多氣囊結構組成的充氣桿件13擁有比傳統(tǒng)單腔體氣囊更優(yōu)秀的力學性能，完全可以滿足充氣桿件13對于真空艙1抵抗外界大氣壓的需求。

拉繩14是真空式浮力飛行裝置的重要組成部分。如文獻[參考文獻10、11]所述，拉繩結構能夠對氣囊應力起到極大的補充，有助于應力的轉向、分解或集中。在本發(fā)明中，拉繩14可以是繩狀、也可以是網狀。拉繩14可以與蒙皮、氣囊整合，也可以單獨存在。拉繩14可以安裝在真空艙內部，也可以安裝在真空艙外部。

設計真空式浮力飛行裝置時需要注意，真空艙的體積不能過低。如圖6表格所示，球形結構直徑低于6米時，體積與表面積的比例為面積>體積，而球形結構直徑大于6米時面積<體積。球形真空艙直徑為6米時，表面積與體積的比例為1：1。在本發(fā)明中，網格支撐結構大致等同于球形結構表面積。當球形真空艙直徑大于6米時，球形結構體積比值將會大于表面積。較大的體積能夠排開更多的空氣，為真空式浮力飛行裝置帶來更多的浮力。

隨著材料學的不斷發(fā)展，未來的材料可能會更加優(yōu)秀。利用高強度材料制造的真空艙可以選擇任意結構而無需局限于球形。本發(fā)明的指導思想是利用氣壓抵抗氣壓，選用其他結構真空艙不影響本發(fā)明權屬。

附圖說明：

附圖中對應的數(shù)字是：蒙皮9、桁架10、氣囊15、標準大氣環(huán)境16、真空環(huán)境17。

圖1為真空式浮力飛行裝置整體結構示意圖。其中蒙皮9、氣囊15、桁架10被整合為一體。

圖2為單排氣囊結構及其充氣后結構示意圖。圖中央部分為局部區(qū)域放大示意圖，箭頭代表氣壓應力方向。當氣囊內氣壓大于外部環(huán)境時，氣囊會傾向于呈球形。當兩個氣囊相互干涉時，接觸面的應力會相互作用。如氣囊的其他區(qū)域囊壁伸展至極限，應力會轉化為對氣囊壁的拉力。只要拉力強度不超過氣囊壁抗拉強度就不會產生進一步形變或撕裂。因此，氣囊壁抗拉強度>氣囊內氣壓>相鄰氣囊接觸面形變應力時，氣囊內應力會集中在相鄰氣囊接觸面。

圖3為多氣囊并列結構及其充氣后內力示意圖詳解（局部）。此種模式的氣囊蒙皮基于[文獻2] 智能化細胞式充氣剛體結構設計，利用多層氣囊之間的相互作用力抵抗大氣壓。此種蒙皮結構特征為內側氣囊氣壓大于外側氣囊氣壓，氣囊在氣壓作用下呈拱形，有助于外界大氣壓力轉向并相互抵消。此種結構適用于超大結構真空艙，其擁有更強的剛度。

圖4為蒙皮9未完全充氣時的狀態(tài)。此時蒙皮9內壓與外界環(huán)境大氣壓大致相同，在此種狀態(tài)下適宜對蒙皮9進行制造或檢修。

圖5為圖4所示蒙皮9完全進入工作狀態(tài)后的情況。此時，外界大氣壓為標準大氣壓（自然大氣環(huán)境）。組成蒙皮9的氣囊內充入高壓氣體，氣囊與氣囊之間的接觸面的作用力之和大于氣囊外部大氣壓壓力。此時氣囊大致呈球面結構，能夠將外界大氣壓產生的壓力轉嫁給相鄰區(qū)域。只要兩者合力不超過氣囊壁抗拉強度就能滿足真空艙結構對抵抗大氣壓環(huán)境的要求。注：附圖中多層氣囊結構組成蒙皮9只是基于本發(fā)明原理設計的一種方案，根據(jù)真空式浮力飛行裝置的原理設計的不同樣式的飛行器可以采用不同的蒙皮以及充氣桁架的組合方式。改變氣囊排列方式或氣囊結構不影響本發(fā)明權屬。

圖6為球形真空艙表面積與體積之間的比例表。

具體實施方式：

以圖5所示真空艙結構為例：

已知標準大氣壓下1立方米大氣重約為1.29公斤

以一個直徑10米的球形真空艙為例：

直徑10米的球形真空艙周長約為31.4米

表面積約為314.16平方米

體積約為523.6立方米

首先計算蒙皮氣囊體積

設蒙皮氣囊厚度為10CM（高分子材料氣囊壁極薄極輕，不方便單獨計算重量。因此將重量附加在氣囊厚度中，即設氣囊厚度15CM）

1平米蒙皮體積約為1*1*0.15=0.15立方米

3倍大氣壓*1.29公斤*0.15立方米=0.5805公斤（充入3倍大氣壓后蒙皮每平米凈重）

直徑10米球形真空艙表面積314.16*0.5805公斤≈182公斤

即充入3倍大氣壓后蒙皮總凈重約為182公斤

已知直徑10米球形真空艙體積約為523.6立方米，標準大氣壓下1立方米大氣重約為1.29公斤。可計算出浮力523.6*1.29≈675公斤

675-182=493公斤。

由此可計算出，直徑10米真空艙刨除蒙皮結構自重后依然能夠擁有493公斤浮力。完全可以滿足大多數(shù)飛行器運輸要求。

注1：因為真空艙自身體積較小，蒙皮氣囊內壓可以采用較低內壓（結構重量較低）。當真空艙體積較大時（例如直徑100米）為了抵抗真空艙自重，需要對薄膜充氣管的內壓進行增強并增加內部桁架。

注2：實驗用小型真空艙直徑6米以下時球體表面積大于體積，所以直徑6米以下真空艙設計結構和算法與6米以上結構不同，詳情參考圖6。

注3：薄膜充氣管結構如果采用智能化細胞式充氣剛體結構[文獻2]能夠獲得更強的力學性能，而自重卻不會大幅度上升。具體數(shù)值需要依據(jù)實際產品計算。

工業(yè)實用性：

浮空式飛行器的歷史非常悠久，但過去的浮空式飛行器大多采用輕質氣體作為浮力裝置的驅動核心。世界上主流浮力飛行器采用的輕質氣體主要有氫氣和氦氣，但都存在巨大缺陷。氫氣雖然制取方便、成本低廉，但存在易燃易爆的危險。當今世界大多數(shù)國家已經禁止氫氣用于充氣式浮空飛行裝置。氦氣是目前世界上主流的輕質飛行器所用輕質氣體，但氦氣屬于不可再生資源。如果少量應用還有可能，一旦大規(guī)模發(fā)展氦氣飛行器就會出現(xiàn)一氣難求的窘狀。

本發(fā)明以當今商業(yè)化材料為基礎設計出確實可行的真空式浮力飛行裝置。他的優(yōu)勢在于不需要特定的輕質氣體，只要建造完成后在需要升空的地區(qū)將真空式浮力飛行裝置內的空氣抽空即可上浮。

利用現(xiàn)有材料制造出的真空式浮力飛行裝置可以大規(guī)模應用到運輸領域。真空式浮力飛行裝置不受地形制約，并能大量運輸物資，起降也無需機場之類硬件設施。