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氦气飞艇的应用及设计方案

更新时间:2009-12-25 9:25:00
"希望号"飞艇设计书
一,飞艇在救灾中的作用
年初的冰雪给人民带来的灾害才刚平息,四川的汶川大地震又在伤口上添上更为沉重的一击.我们无法阻止灾难的发生,但是我们有能力减少灾害带来的伤害.只有不断发展完善救灾体系,装备有效的救灾工具,才能在灾害发生时,快速有效的应对.接踵而至的两次重大灾害,使得探索研发新式交通运输救灾工具的责任和使命更加紧迫.
在汶川大地震发生后,一场生死大救援瞬时展开.但在与灾害的顽强斗争中,我们遇到了抗震救灾中最严重的瓶颈问题——灾区地形险峻,道路中断,气候条件恶劣,给救援运输带来了异常的困难.
地震发生后,灾区道路被山体滑坡严重堵塞或已遭地震冲击波破坏,运输车辆和大型挖掘机械无法前行,救援遇到了极大的困难,交通问题严重威胁着灾区人民的生命安全.在年初的冰雪灾害中,同样也是因为交通问题,给救灾带来了极大的困难,大量的人员和物资滞留途中.直升机和大型运输机对气候条件要求很高,需要场地起降,而且运输能力及其有限,救灾作用受到各方面条件的严重制约.
灾害发生后,在救援中反映出我国的交通运输体系存在着一定的不足:交通过于依赖公路,铁路,机场等基础设施,受自然条件影响较大,缺乏互补性, 一旦依赖的条件被毁,必将制约我们在自然灾害,战争等突发事件中的紧急行动.我们必须设法改善我国的交通运输体系,以减少自然灾害或战争造成的严重困难和损失.
救灾呼唤新的交通工具.有没有一种可以飞越地理障碍,有效载荷更大,功能更多,更安全,更经济,运动自由度更大的运输方式
答案是肯定的,那就是新型氦气飞艇.为中国救援队而设计的救灾专用设备"希望号"根据时代的需要应运而生了.
二,"希望号"的具体设计
1,硬式艇囊
"希望号"的外形由刚性骨架保持,外罩由特殊材料形成外蒙布或由轻金属皮包围保持飞艇的整个形状;在艇体骨架内放置一系列密封的浮升气体小气囊.动力装置,操作系统,乘客和机组的舱室设置在飞艇刚性骨架的主结构上.不管艇囊充气与否,飞艇的外部形状保持不变.
艇囊蒙皮采用智能纳米材料结构.该机构结合了纳米复合材料轻质,强度高等特点,还具有智能材料的自诊断,自修复及自适应能力.智能表层(Smart Skin,也称智能蒙皮)是航空航天领域重点研究内容之一它是将各种传感器,驱动器集成在飞行器的表层中.其功能为:使飞行器自动检测并自动适应周围环境的变化.另外,对于材料表面及内部的损伤,缺陷,噪声和振动等,智能表层具有自诊断,自修复和自适应的功能.
由主体材料,传感元件,驱动元件,控制系统组成的智能材料结构,其作用已由结构用途为主逐步向多功能,智能化方向发展,是赋予结构健康自诊断,环境自适应和损伤自愈合功能的一类仿生结构系统.从解剖学的角度来看,智能材料结构相当于一个由骨骼,神经,肌肉和大脑组成的系统.其中,主体材料相当于人体的骨骼,它的作用与一般的材料结构相同,例如承受载荷等.而融于主体材料中的传感元件相当于神经系统,驱动元件相当于人体的肌肉,处理和控制系统可视为人的大脑.
国内南京航空航天大学,重庆大学,华中理工大学,哈尔滨工业大学等单位在结构健康监测的研究中也取得许多成果,如自适应复合材料,光纤智能结构的自诊断,自修复,利用声发射技术和小波分析,神经网络对损伤进行定位等.其中,南京航空航天大学智能材料与结构研究所研制的强度自诊断自适应智能复合材料结构,将光纤传感器,压电传感器等埋入大型复合材料试验件,实现了多种损伤的在线自诊断及自适应,达到了国际先进水平,部分成果属国际首创.
将光纤网络埋入飞艇表层中,形成的光纤智能表层,使用光纤智能表层的飞艇具有如下优点:
(1)通过监测复合材料表层的成型过程,可以提高材料的性能和可靠性,并可降低制造成本;
(2)起飞前可以自动进行对机身构件及表层性能的评估,以确定能否飞行:
(3)在飞行过程中,可以自动实时监测飞机受到的气动参数,应变以及温度变化等;
(4)在飞行工作过程中,可以监测飞机结构的损伤状况,并为飞行员提供参考;
(5)着陆后,可以利用智能表层系统记录的数据对飞机进行结构完整性评估以及必要的维修.
运用埋植技术把装有化学药品的空心纤维埋植在聚合物基体中,当材料受到外部的碰撞时,材料内部应力改变而产生裂纹,这种空心纤维破裂后释放出粘连剂以修补裂纹.S R White等报道了一种新型的可自修复的聚合物基复合材料,将环戊二烯二聚体包裹在脲醛树脂制成的微胶囊里,和Grubbs催化剂一起分散在环氧基体中,当材料产生裂缝时,微胶囊破裂,环戊二烯二聚体由于裂缝产生的毛细管虹吸作用迅速渗入银纹,碰到Grubbs催化剂产生交联聚合以达到修复的目的.实验测试表明,这种复合材料有75%的修复率.该体系将埋植技术,微胶囊技术,烯烃聚合,高分子多组分体系等有机地结合在一起,达到材料深层自修复的目的.
2,矢量推进系统
飞艇的推进系统为飞艇做浮空飞行提供前飞动力,并为辅助系统提供动力(操作系统等).飞艇的推进系统一般包括:能源,原动力(发电机)和推进飞艇的推进器(螺旋桨,风扇等).
"希望号"采用氢气作为能源.氢气既产生浮力,又能在涡轮推进器中燃烧提供动力.氢气产生单位热量所需的质量轻,用氢气作燃料的飞艇起飞重量和燃料的重量减少,但是燃料的体积增大了,这明显降低了升阻比,然而当油性燃料供应不足时,氢气将成为飞艇的有效能源.
"希望号"采用矢量推进设计.发动机直接推动螺旋桨,在推进器矢量旋转时,发动机可直接驱动螺旋桨.通过调节动力和矢量角度实现任何较弱风力的情况下都能垂直起降或悬停,并且确保有足够的向前推力分量来维持地面位置.
3,混合设计
传统飞艇是一个具有起飞和着陆功能的简单车辆,但在实践中,空气动力对低速和高速控制来说都是必要的.传统飞艇依靠其气囊外形的变化或矢量推进增加动态升力,但其结构和有效载荷却主要由静升力运载.因而,传统飞艇对胜利的控制变化幅度不能超过矢量推力所能提供的升力.传统飞艇在地面易受风的影响,并且装载和卸载都很困难.
"希望号"采用空气动力混合设计,兼有轻于空气和重于空气飞行器的特点.与传统飞艇相比,它的优势在于,它在着陆和装载阶段更易于操作,有效载荷更大."希望号"在传统飞艇的机身上安装了一对副翼,它的一部分升力是空气动力产生的.矢量螺旋桨推进系统与飞艇的结合是多升力源混合飞艇概念的一种,它利用飞艇的空气静升力来平衡结构重量和载荷,而利用螺旋桨提供的垂直动力来承载一部分有效载荷,保持了垂直起降能力的优势.
4,着陆系统
1),伸缩式液压万向起落架
"希望号"采用伸缩式液压万向起落架,可以在不平整的场地垂直起降,满足救灾环境的需要.
2),舱盖式登机梯
"希望号"的登机梯设计在艇体腹部,其结构为一个可以旋转的舱盖.根据地形的不同,旋转角度也不同.登机梯上设有皮带传送装置,可以快捷的装卸物资和运送受伤人员.
5,标志设计和机身涂装
该标志为中国空中救援队标志."红心中国"是这次汶川地震,全国人民心连心,团结一致,热爱祖国的象征,是救援的精神支柱.红心中镶有两只心形的紧紧相握的手,象征关爱和救援.蓝色象征空中就援,若为地面救援可替换为绿色.在标志右方加以汉字和英文说明.
艇身涂装的主体为绿丝带,辅以"中国救援"标志和飞艇型号标志"希望号".绿丝带也是汶川地震的一个标志,象征了全国人民万众一心,一方有难,八方支援的崇高精神.
三,"希望号"氦气飞艇在救灾中可以发挥以下重大作用.
遥感遥测与指挥所作用.由于灾情瞬息万变,救灾方案也必须实时变化.当受灾地区天气恶劣的情况下,飞机,卫星就不能及时得到清晰的遥感图像,而飞艇可以在云层底下长时间地巡航,在安装高分辨率照相机和遥感设备等之后,可以全天候 24小时监控受灾地区,并快速得出遥感图像,为抗震救灾指挥提供连续,系统,全面的第一手灾区监测资料,供决策参考.当然也可以在飞艇上开设指挥所,实施现场指挥,这样比徒步视察的效率要高出许多.
环境气象监测,确保空运空投.灾情发生后,飞艇可以立即飞赴灾区上空,利用自身配置的气象雷达与气象监测设备,实现对灾区数百平方公里气象环境条件的应急机动监测,随时为空运和空投提供非常及时的气象信息,大幅度提高空运空投的效率和安全性.
输送救援人员和物资,搜索和转移伤病员.汶川地震救援中出动了100多架直升机,为抢救伤员发挥了重要作用.但直升机运力较小,受气候影响较大,对装载,着陆点的条件要求比较高,油料消耗也很大,仅能抢救一些重伤病员,运送一些轻型的救援设备.相比之下,"希望号"飞艇的有效载荷大,可以取代将近十架容量10多人的直升机,也就是说一架可运送100人的飞艇飞行一次.飞艇不但效率非常高,而且比较稳定,伤员所受颠簸影响很小.飞艇还不受地理条件的约束,只要风力不大,它可以到达灾区上空的任何地域,并能够悬停在离地面很近的地方,这样飞艇就可以绕开中断的道路,冒着暴雨向各个受灾点运送救援人员,淡水,医疗药品,以及工程机械等大型的救灾设备,并及时撤出受灾群众,从而减少伤亡和损失.飞艇还可以长时间悬空作业,全天24小时搜索受灾群众,这是直升机在时间上,空间上无法做到的.
通信中继作用.在汶川大地震中,大面积通信中断,车载机动通信台站长时间进不了灾区,难以恢复通信."希望号"在配置通信中继设备后,通信机动覆盖面积大(一般达数万平方公里),通信频道宽,效能高,它可在灾害发生的第一时间到达灾区上空,立即打通灾区和外界的通信联络.通信顺畅对安定民心,稳定秩序,确保抗震救灾的顺利实施可发挥非常重要的作用.
流动医院与灾后防疫.飞艇的体积比较大,飞行比较稳定,可以直接搭设手术台等医疗设备,充当流动医院,尽可能地争得抢救生命的时间.地震后的防疫工作也是相当紧迫的,疫情随时可能发生.利用飞艇,可快速,高效地对灾区进行大面积喷洒消毒,还可以及时输送防疫人员实时监控灾区疫情和水源污染情况等.
四,三视图及其参数
长:64米
宽:36米
高:14米
飞行时速:0~250公里/小时
飞行高度:0~8000米
最大巡航距离:6000公里
有效载荷:10,000千克
五,效果图
参考文献:
1.《飞艇技术概论》 甘晓华 郭颖 国防工业出版社 2005年5月第一版
2.《飞艇技术》 [英] G.A.库利 J.D. 吉勒特著 科学出版社 2008年1月第一版
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