某型临近空间飞艇龙骨结构设计技术研究

打开文本图片集

摘  要：文章以某型临近空间飞艇为背景，开展半硬式龙骨结构设计技术研究，结合国内、外飞艇龙骨结构设计经验，综合考虑低成本复合材料的力学性能和工艺要求，通过材料选择，结构布置，结构设计，连接设计及强度校核等步骤，最终确定满足性能要求的龙骨结构方案，为龙骨结构的进一步细节设计提供支撑。

关键词：临近空间  龙骨  复合材料

1  引言

介于临近空间飞艇在长时间监控侦查和通信中继方面的卓越性能，中国、美国、欧洲、日、韩等航空强国纷纷投入巨资竞相研发临近空间飞艇。截至目前，从总体发展水平上看，国、内外临近空间飞艇仍处于关键技术攻关阶段。大型轻质结构设计技术，是临近空间飞艇设计的关键技术之一。[1-3]

按结构形式的不同，飞艇一般分为软式、硬式和半硬式3类。基于蒙皮材料的制造水平和整艇结构质量方面的考虑，目前对于空间飞艇结构形式的选择多倾向于半硬式设计。龙骨结构是半硬式设计飞艇的重要组成部分，一般为硬式桁架结构，位于气囊的下部，与气囊成为一个整体，其功能是用于安装较大的集中载荷，并将集中载荷均匀扩散到气囊上。龙骨与气囊的连接采用软连接，保证龙骨上的集中载荷均匀传到气囊上，不致使气囊产生应力集中。

2  材料选择

根据总体技术要求，从降低结构重量、提高结构抗疲劳及损伤性能，降低成本并满足结构的防腐要求等方面因素考虑，采用低成本复合材料进行结构设计：采用中温固化树脂体系、碳纤维编织物预浸料或碳纤维丝束缠绕成型工艺;选用室温固化（亦可加温快速固化）的环氧结构胶黏剂用于结构件的二次胶接，在满足胶接强度的同时能够节约生产及装配成本;选用碳纤维干布及可室温固化的树脂体系作为湿法铺贴的材料，可用于复合材料结构的局部加强或破损修理。[4-8]

3  结构布置

根据总体技术方案，龙骨结构承担吊舱、发动机、硬式尾翼载荷，扩散到气囊;以及副气囊提供的升力;因此，龙骨桁架结构设计根据吊舱尺寸、发动机、尾翼及副气囊布置，初步方案采用全尺寸龙骨结构，龙骨贯穿艇体首尾，由纵向龙骨、横向龙骨和发动机梁组成，采用碳纤维桁架管材结构，结构示意如图1所示。

共布置7组横向龙骨，3组纵向龙骨。横向和纵向龙骨结构形式相同，均为三角形截面桁架构型。该桁架结构是由平行于桁架纵向中心轴的三根纵向件和围绕中心轴均匀布置的螺旋向肋条相互交织构成的一种轴对称桁架结构，可采用连续纤维缠绕工艺一次整体成型，也可以采用杆件装配。纵向及螺旋向杆件均由高性能单向纤维增强聚合物复合材料构成。

4  结构设计

横向龙骨：三根外撑杆其中一根贴合气囊表面，其余两根为直线，首尾端截面外接圆半径为167mm。外撑杆尺寸为φ25×0.6mm，铺层0°、45°、90°，内撑杆尺寸为φ11×0.4mm，铺层0°、45°。内撑杆排列间距500mm。

纵向龙骨：三根外撐杆均为为直线，截面外接圆半径为167mm。外撑杆为φ20×0.6mm，铺层0°、45°、90°，内撑杆尺寸为φ10×0.4mm，铺层0°、45°。内撑杆排列间距500mm。

张线布置：为提高龙骨纵向稳定性，在横向龙骨间布置了张线，如图3所示。

5  连接设计

桁架内连接：连接接头可采用金属接头、也可采用复合材料接头，需要从重量、成本、性能等方面进行综合考虑。桁架内采用复合材料接头形式进行连接，成形工艺可采用模压、纤维缠绕、自动铺丝和三维编织预成型体加RTM等工艺制备。

桁架间连接：桁架间初步采用铝合金焊接/机加件进行连接。

龙骨与吊舱连接：步采用在龙骨底部桁架增加吊索进行连接。

龙骨与尾翼连接：采用在龙骨外侧桁架连接卡箍连接和张线连接的形式。

6  强度校核

为模拟实际情况，取龙骨和吊挂张线作为研究对象。根据龙骨的结构特点、连接形式及外载情况等，对龙骨结构简化。动力装置部分的载荷（质量力、推力等）通过MPC传递到发动机梁，吊舱部分的载荷以多点约束单元（MPC）的方式连在吊挂张线末端通过张线向龙骨传递。龙骨骨架（包括横向龙骨、纵向龙骨、发动机梁等）全部简化为BEAM单元，内部吊索、吊舱吊挂张线均简化为ROD单元。

根据有限元分析结果，当前结构设计满足强度要求。

8   结论

通过开展某型临近空间飞艇龙骨结构设计技术研究，结合国内、外飞艇龙骨结构设计经验，综合考虑低成本复合材料的力学性能和工艺要求，通过材料选择，结构布置，结构设计，连接设计及强度校核等步骤，最终确定满足性能要求的龙骨结构方案，为龙骨结构的进一步细节设计提供支撑。

参考文献

[1]贾重任. 浮空器在武器装备信息化中的优势分析[J]. 飞机设计，2004，6（2）;23-27.

[2]甘晓华，郭颍. 飞艇技术概论[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[3]库利，吉勒特. 飞艇技术[M]. 王生译. 北京：科学出版社，2005.

[4]RASTOGI N，SONI S R，DENNY J J.Analysis of Composite Patch Repaired Metallic Structures：An Overview[R] .AIAA-98-1883.

[5]POST N L，CAIN J，MCDONALD K J.Residual Strength Prediction of Composite Materials：Random Spectrum Loading [J].Engineering Fracture Mechanics，2008（75）：629—637.

[6]SABELKIN V，MALL S，HANSEN M A.Investigation into Cracked Aluminum Plate Repaired with Bonded Composite Patch[J].Composite Structures，2007（79）：55—66.

[7]HOSSEINI O H.Effects of Composite Patches on Fatigue Crack Propagation of Single-side Repaired Aluminum Panels[J].Composite Structures，2006（76）：243—251.

[8]张玎，杨晓华，匡林.复合材料补片胶接修补剥蚀金属结构技术研究[J].装备环境工程，2010，6（7）：204—207.ZHANG Ding，YANG Xiao—hua，KUANG Lin.Study of Composite Patch Glued Joint Repair Technology for Exfoliation Corrosion of Metallic Structure[J].Equipment Environmental Engineering，2010，6（7）：204—207.

推荐访问:飞艇 龙骨 技术研究 结构设计 临近