一种变体飞艇及变形装置的制作方法

本发明属于变体飞艇结构设计技术领域，具体涉及一种变体飞艇及变形装置。

背景技术：

传统的常规飞艇按照结构型式的不同一般分为软式、硬式、半硬式三类，其中软式无法控制飞艇形状和气囊大小，硬式和半硬式可以保持飞艇形状，但是不可变形。

常规飞艇主要特征在于：艇囊由主气囊与副气囊构成。主囊内充好浮升气体之后，容积在宏观上是固定不变的，因此排开空气的体积也基本不变。副气囊用于储存或者排出空气，保持主囊因外部气压变化而导致的主囊与艇外气体的压差进而维持外囊形状，通过主动充放气调节主囊容积进而调节飞艇的净静升力，通过充放前后副气囊中的空气来调节主囊前后压差进而调整重心位置。

目前这种通过调节副气囊控制飞艇外形维持、高度控制和重心控制的方法存在的问题有：

(1)副气囊充放空气的量不可控，由于阀门的气流量不可精确测出，充放气不能定量控制，进而无法精确调节主气囊的压力大小变化。

(2)副气囊体积无法精确测出，副气囊的囊皮属于柔性结构，内充空气后形状不规则，无法测量计算副气囊体积也就无从得知飞艇高度剩余的可调空间以及其他信息。

(3)副气囊体积不稳定，随飞艇高度变化副气囊内温度变化，从而导致副气囊、主囊的体积与压力都不稳定。

(4)副气囊的位置不固定，飞艇在空中受气流原因颠簸，反而会使副气囊位置或形状发生偏移，导致飞艇重心不稳。

(5)副气囊充放气速率太慢且受内外压差影响大，制约了飞艇最大爬升速率和降落速率，难实现飞艇快速爬升、下降要求。

目前传统的常规飞艇结构仍然处于不可变或不可控的状态。变体飞艇是当前提出的一种新概念，变体飞艇没有副气囊，其囊体容积能够根据需要进行变化和控制，通过压差改变主囊容积以改变浮力来控制高度，具有反应快、垂直方向定位准的优点。为了追求变形效果明显，目前已有的变体飞艇中结构变化以径向变化为主，且大多数都是通过折叠骨架完成变形，存在不能精确控制变形且易发生形变的问题，同时因为结构表面变化太大，存在无法安装吊舱、太阳能板等固定的大型结构的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：

(1)解决飞艇的变体问题，精确控制改变飞艇形状大小，变形过程中飞艇保持良好的气动外形，变形完成后飞艇外形需锁定；

(2)解决飞艇高度调节问题，控制飞艇在空中的上下运动，同时可协助进行起飞降落；

(3)解决飞艇重心调节问题，控制飞艇在空中保持前后平衡和控制飞艇的俯仰运动。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变体飞艇，包括艇体1、前艇盖2、后艇盖3、气囊；

艇体1的一部分形状为一个圆柱环，包括齿条骨架4、艇体蒙皮12；艇体1的形状主要由三个齿条骨架4支撑成形，同时齿条骨架4也是控制变体飞艇变形的移动载体，齿条骨架4的横截面轮廓是一个等腰梯形，梯形下部是与艇体蒙皮12连接的部分，梯形中部设置一个卡槽，梯形上端即齿条骨架4的上端为齿槽，齿槽与艇盖上的变形装置5的齿轮53咬合，并进行弧面切除，三个齿条骨架4互相平行，呈等边三角形环形位于艇体1外围；艇体蒙皮12与三个齿条骨架4连接，艇体蒙皮12用于限制气囊大小；

所述前艇盖2为一个半椭球盖，设置在艇体1前方，包括前艇盖骨架21、前艇盖蒙皮22、头锥8、太阳能板7、变形装置5；三个前艇盖骨架21头部交汇在一点，尾部分开成等边三角形平行分布在前艇盖2外围，通过前艇盖骨架21与前艇盖骨架21之间的前艇盖蒙皮22支撑飞艇形状；头锥8位于前艇盖2前端，用于飞艇地面系留和使飞艇飞行时保持良好的头部气动外形；太阳能板7位于前艇盖2上部区域；变形装置5位于三个前艇盖骨架21的尾端，是与艇体1的齿条骨架4直接连接的结构；变形装置5包括壳体54、电机51、齿轮53、曳引轮52、牵引绳56，所述壳体54后部分与齿条骨架4连接，下部分有突出卡条，用于与下方的齿条骨架4的卡槽连接，电机51位于壳体54中部，通过传动机构55将动力传到电机51下方的齿轮53与电机51上方的曳引轮52，齿轮53与下方的齿条骨架4的卡槽咬合在一起，牵引绳56一端缠绕在曳引轮52上，另一端缠绕在对应后艇盖骨架31的曳引轮52；

所述后艇盖3为一个半椭球盖，设置在艇体1前方，包括后艇盖蒙皮32、太阳能板、尾翼9、三个变形装置，三个后艇盖骨架31；后艇盖3的后艇盖骨架31、后艇盖蒙皮32、太阳能板、变形装置与前艇盖2的相应的前艇盖骨架21、前艇盖蒙皮22、太阳能板7、变形装置5结构及布置方式一致，尾翼9设置在后艇盖3的后艇盖蒙皮32上。

所述气囊位于变体飞艇内部位置，由囊皮、阀门组成；所述囊皮被艇体1、前艇盖2、后艇盖3三部分的蒙皮包裹，气囊内充有氦气以提供变体飞艇的静升力，所述阀门设置在囊体下方，是用来充放氦气的结构，主要是在地面时往气囊里充氦气和紧急快速降落时释放氦气。

优选地，所述卡槽用于与艇盖上的变形装置5的连接更为紧密。

优选地，所述艇体蒙皮12为柔性材料。

优选地，所述艇体1还包括吊舱6，吊舱6位于艇体1中间的腹部位置，吊舱6的前端为载荷挂架；吊舱6的两侧与涵道倾转设备连接，安装发动机、螺旋桨、涵道这些动力设备；吊舱6下部为起落架，用于地面系留时支撑艇体1和飞艇起降时接触地面；吊舱6内部设置有艇载控制设备。

优选地，所述艇体1还包括环形毛刷13，环形毛刷13垂直位于艇体1两边的边缘环线上，用于保护气囊。

优选地，所述尾翼9采用x形式布局设置在后艇盖3的后艇盖蒙皮32上。

本发明还提供了一种所述的变体飞艇中的变形装置5。

本发明还提供了一种所述的变体飞艇的工作方法，所述变体飞艇的起飞上升过程为：

(1)地面系留塔通过连接头锥8，将飞艇暂时固定在地面，此时变形装置5处于锁定状态，此时艇体1体积最小；

(2)经过地面系统联调之后，将氦气充入气囊，在合适的放飞窗口期将飞艇放飞；

(3)在上升的过程中，在气压的作用下，气囊慢慢鼓起，贴合到艇体蒙皮12和艇盖蒙皮上；

(4)位于艇体蒙皮12和艇盖蒙皮内表面的压力传感器检测到囊体达到饱和后，变形装置5的传动机构55解锁，在气囊和外界大气压差作用下气囊继续膨胀，并带动变形装置5运动，飞艇结构发生纵向变长，变形过程中，受牵引绳56控制，两边的变化关于中心对称；

(5)在飞艇上升到指定高度后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，保持在指定的高度执行任务。

本发明还提供了一种所述的变体飞艇的工作方法，所述变体飞艇的高度调节过程为：

(1)飞艇在空中稳定飞行途中，当飞艇控制系统做出调节飞艇上升或下降的指令后，飞艇测量系统测量齿轮53的可移动空间，确认变形装置5的可调空间足够；

(2)飞艇伺服控制系统控制前艇盖2、后艇盖3的共六个变形装置5中的电机51启动，传动机构55带动齿轮53咬合着齿条骨架4往飞艇两边或中间移动，同时传动机构55带动曳引轮52转动，将牵引绳56放长或缩短；

(3)变形装置5的移动带动前艇盖2、后艇盖3的骨架往两边或中间移动相同距离，使飞艇长度变长或变短、体积变大或变小；

(4)艇体1体积变化后，气囊在气压的作用下继续膨胀直到再次贴合蒙皮，或气囊在飞艇结构的挤压下被压缩；

(5)气囊体积变大或变小后，相应为飞艇提供更大或更小的静升力，从而使得飞艇上升或下降；

(6)在飞艇上升到指定高度后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，飞艇在新的高度继续执行任务。

本发明还提供了一种所述的变体飞艇的工作方法，所述变体飞艇的重心后移过程如下：

(1)飞艇在空中若因气流问题导致飞艇前后不平衡需调整姿态，或者需要飞艇做出指定的俯仰动作时，同样可通过变形装置5来调节飞艇重心变化，首先由测量系统测量齿轮53的可移动空间，通过调节需求计算确认可调空间足够；

(2)飞艇伺服控制系统控制后艇盖3的共三个变形装置5中的电机51启动，传动机构55带动齿轮53咬合着齿条骨架4往飞艇两边移动，同时传动机构55带动曳引轮52转动，将牵引绳56放长；

(3)变形装置5带动后艇盖3相对于艇体1向后移动，使飞艇后方长度变长、重心后移；

(4)在飞艇姿态改变到目标效果后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，飞艇以新的俯仰姿态继续执行任务。

(三)有益效果

本发明具有以下优点和效果：

(1)本发明通过艇盖与艇体的变体飞艇结构和齿轮与齿条、曳引轮与牵引绳组合的变形装置的设计，可使飞艇在变形的过程中始终固定保持良好的气动外形，同时为吊舱、尾翼、太阳能板等飞艇附加结构提供稳定可靠的安装平台。

(2)本发明通过变形控制系统可实现飞艇变体，使飞艇体积可在很大范围里随意改变，通过飞艇外形限制内部气囊的大小，致使飞艇在空中可自由调节高度进行悬停，同时也可以协助进行飞艇起飞和降落等动作。

(3)本发明通过变形控制系统可实现飞艇的重心变化，通过前后的变形大小差异，改变飞艇前后对称性，使重心发生偏移，进而控制飞艇在空中即使迎风也始终保持平衡，同时也可以控制飞艇的俯仰运动协助完成其他动作。

(4)本发明的使用过程中精确可控，变形装置可以随时锁定在某一几何状态，从而锁定飞艇形状大小，这种固定的规则变化的变体飞艇可精确测得其体积等参数，从而计算出飞艇气囊提供的静升力，也可精确测得变形装置的变形范围还有多大，从而得知飞艇在空中剩余的高度调节范围。

(5)本发明结构简单、工作可靠、控制方便。

附图说明

图1为现有其他变体飞艇变形原理示意图；

图2为本发明的变体飞艇变形原理示意图；

图3为本发明的变体飞艇结构示意图；

图4为本发明的变体飞艇变形效果示意图；

图5为本发明的变体飞艇重心控制效果示意图；

图6为本发明中艇体与艇盖连接部分示意图；

图7为本发明中齿条骨架结构示意图；

图8为本发明的变形装置结构示意图；

图9为本发明的变形装置与齿条骨架连接示意图；

图10为本发明中前后牵引绳连接示意图。

图中：1、艇体；2、前艇盖；3、后艇盖；4、齿条骨架；5、变形装置；6、吊舱；7、太阳能板；8、头锥；9、尾翼；12、艇体蒙皮；13、环形毛刷；21、前艇盖骨架；22、前艇盖骨架；31、后艇盖骨架；32、后艇盖蒙皮；51、电机；52、曳引轮；53、齿轮；54、壳体；55、传动机构；56、牵引绳。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出使用变体飞艇来替代副气囊的功能，而变体飞艇结构的提出，使得飞艇的体积既可变又可控。而且本发明提出一种精确可控、稳定又牢固的纵向变形的变体飞艇结构设计，并对其变形装置进行设计。

如图2所示，本发明为一种可在飞艇前后部分进行骨架纵向伸缩变形的变体飞艇的结构设计。如图3所示，本发明的变体飞艇根据骨架结构分为四个部分：艇体1、前艇盖2、后艇盖3、气囊；

艇体1的一部分形状为一个圆柱环，包括齿条骨架4、吊舱6、艇体蒙皮12、环形毛刷13；艇体1的形状主要由三个齿条骨架4支撑成形，同时齿条骨架4也是控制变体飞艇变形的移动载体，齿条骨架4的横截面轮廓是一个等腰梯形，梯形下部是与艇体蒙皮12连接的部分，梯形中部设置一个卡槽，用于与艇盖上的变形装置5的连接更为紧密，梯形上端即齿条骨架4的上端为齿槽，齿槽与艇盖上的变形装置5的齿轮53咬合，并进行弧面切除，目的是与艇盖上的骨架压合，使艇盖的骨架压在齿条骨架4上时受力更均匀，三个齿条骨架4互相平行，呈等边三角形环形位于艇体1外围，；艇体蒙皮12为特殊的柔性材料，与三个齿条骨架4连接，构成艇体1的主要外形，艇体蒙皮12是限制气囊大小的主要结构；飞艇的吊舱6位于艇体1中间的腹部位置，吊舱6的前端为载荷挂架，可满足载荷安装外挂要求；吊舱6的两侧与涵道倾转设备连接，安装发动机、螺旋桨、涵道等动力设备；吊舱6下部为起落架，用于地面系留时支撑艇体1和飞艇起降时接触地面；吊舱6内部设置有艇载控制设备与系统等；环形毛刷13垂直位于艇体1两边的边缘环线上，主要用于保护气囊，防止在变体飞艇变形、骨架移动时气囊被卷入艇体1与艇盖的缝隙中；

所述前艇盖2为一个半椭球盖，设置在艇体1前方，包括前艇盖骨架21、前艇盖蒙皮22、头锥8、太阳能板7、变形装置5；三个前艇盖骨架21头部交汇在一点，尾部分开成等边三角形平行分布在前艇盖2外围，通过前艇盖骨架21与前艇盖骨架21之间的前艇盖蒙皮22支撑飞艇形状；头锥8位于前艇盖2前端，主要用于飞艇地面系留和使飞艇飞行时保持良好的头部气动外形；太阳能板7位于前艇盖2上部区域；变形装置5位于三个前艇盖骨架21的尾端，是与艇体1的齿条骨架4直接连接的结构；变形装置5包括壳体54、电机51、齿轮53、曳引轮52、牵引绳56，所述壳体54整体为一个正方体，壳体54后部分与齿条骨架4连接，下部分有突出卡条，用于与下方的齿条骨架4的卡槽连接，壳体54为电机51等机构提供安装平台，以保护这些机构，电机51位于壳体54中部，通过传动机构55将动力传到电机51下方的齿轮53与电机51上方的曳引轮52，齿轮53与下方的齿条骨架4的卡槽咬合在一起，牵引绳56一端缠绕在曳引轮52上，另一端缠绕在对应后艇盖骨架31的曳引轮52；

所述后艇盖3为一个半椭球盖，设置在艇体1前方，包括三个后艇盖骨架31、后艇盖蒙皮32、尾翼9、太阳能板、三个变形装置；后艇盖3的后艇盖骨架31、后艇盖蒙皮32、太阳能板、变形装置与前艇盖2的相应的前艇盖骨架21、前艇盖蒙皮22、太阳能板7、变形装置5结构及布置方式一致，尾翼9采用“x”布局设置在后艇盖3的后艇盖蒙皮32上，保证飞艇平台具备良好稳定性和操控性。

所述气囊位于变体飞艇内部位置，由囊皮、阀门组成；所述囊皮被艇体1、前艇盖2、后艇盖3三部分的蒙皮包裹，气囊内充有氦气以提供变体飞艇的静升力，所述阀门设置在囊体下方，是用来充放氦气的结构，主要是在地面时往气囊里充氦气和紧急快速降落时释放氦气。

本发明还提供了一种所述的变体飞艇中的变形装置5。

本发明的变体飞艇的起飞上升过程为：

(1)地面系留塔通过连接头锥8，将飞艇暂时固定在地面，此时变形装置5处于锁定状态，此时艇体1体积最小；

(2)经过地面系统联调之后，将氦气充入气囊，在合适的放飞窗口期将飞艇放飞；

(3)在上升的过程中，在气压的作用下，气囊慢慢鼓起，贴合到艇体蒙皮12和艇盖蒙皮上；

(4)位于艇体蒙皮12和艇盖蒙皮内表面的压力传感器检测到囊体达到饱和后，变形装置5的传动机构55解锁，在气囊和外界大气压差作用下气囊继续膨胀，并带动变形装置5运动，飞艇结构发生纵向变长，变形过程中，受牵引绳56控制，两边的变化关于中心对称；

(5)在飞艇上升到指定高度后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，保持在指定的高度执行任务。

本发明的变体飞艇的高度调节过程为：

(1)飞艇在空中稳定飞行途中，当飞艇控制系统做出调节飞艇上升(或下降)的指令后，飞艇测量系统测量齿轮53的可移动空间，确认变形装置5的可调空间足够；

(2)飞艇伺服控制系统控制前艇盖2、后艇盖3的共六个变形装置5中的电机51启动，传动机构55带动齿轮53咬合着齿条骨架4往飞艇两边(或中间)移动，同时传动机构55带动曳引轮52转动，将牵引绳56放长(或缩短)；

(3)变形装置5的移动带动前艇盖2、后艇盖3的骨架往两边(或中间)移动相同距离，使飞艇长度变长(或变短)、体积变大(或变小)；

(4)艇体1体积变化后，气囊在气压的作用下继续膨胀直到再次贴合蒙皮(或气囊在飞艇结构的挤压下被压缩)；

(5)气囊体积变大(或变小)后，为飞艇提供了更大(或更小)的静升力，从而使得飞艇上升(或下降)；

(6)在飞艇上升到指定高度后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，飞艇在新的高度继续执行任务。

以重心后移为例，本发明的变体飞艇重心调节过程如下：

(1)飞艇在空中若因气流问题导致飞艇前后不平衡需调整姿态，或者需要飞艇做出指定的俯仰动作时，同样可通过变形装置5来调节飞艇重心变化，首先由测量系统测量齿轮53的可移动空间，通过调节需求计算确认可调空间足够；

(2)飞艇伺服控制系统控制后艇盖3的共三个变形装置5中的电机51启动，传动机构55带动齿轮53咬合着齿条骨架4往飞艇两边移动，同时传动机构55带动曳引轮52转动，将牵引绳56放长；

(3)变形装置5带动后艇盖3相对于艇体1向后移动，使飞艇后方长度变长、重心后移；

(4)在飞艇姿态改变到目标效果后，变形装置5进行锁定，飞艇结构固定，飞艇以新的俯仰姿态继续执行任务。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。