低成本輕質(zhì)復(fù)合蒙布在飛艇尾翼中的應(yīng)用

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

裝備通用質(zhì)量特性及壽命評估

低成本輕質(zhì)復(fù)合蒙布在飛艇尾翼中的應(yīng)用

宋家奎，石志想

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

目的研究一種低成本輕質(zhì)復(fù)合蒙布設(shè)計，為中小型飛艇尾翼提供蒙皮材料。方法通過材料選型、連接設(shè)計、典型的復(fù)合蒙布性能測試。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了該型蒙布在某大型飛艇尾翼中的應(yīng)用，表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能、可靠性與維修性。結(jié)論結(jié)構(gòu)質(zhì)量與同等強(qiáng)度的氣囊材料相比約輕30%。同時，該型復(fù)合蒙布還可用于飛艇框架結(jié)構(gòu)的裝飾，具有較高的使用價值。

飛艇；尾翼；復(fù)合蒙布

飛艇作為一種依靠浮力的飛行器，相對當(dāng)前的常規(guī)飛行器來說，具備低成本的特點(diǎn)。然而大量先進(jìn)材料和儀器的使用以及飛艇技術(shù)指標(biāo)的提高，飛艇研制、試驗及制造的費(fèi)用呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

目前，飛艇結(jié)構(gòu)中大量使用了輕質(zhì)蒙皮材料[1—5]、鋁合金[6]、軟式索具[7]以及復(fù)合材料[8]，尤其是大量復(fù)合材料的使用使得飛艇的成本得到大大的提高。如齊柏林Zeppelin-NT飛艇尾翼采用玻璃鋼/碳纖維復(fù)合材料制作[9]。為了盡可能降低研制成本和使用維護(hù)成本，對于保證氣動外形的尾翼蒙布來說，可考慮采用低成本的蒙布材料代替，如帆綢類織物材料。

文中將介紹一種低成本、輕質(zhì)的蒙布材料，主要用于飛艇尾翼的蒙皮。該蒙布材料具有成本低、質(zhì)量輕、工藝性好、可模塊化組合以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。大量的試驗驗證以及工程應(yīng)用表明，該復(fù)合蒙布材料能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和工況，具備較高的使用價值。

1 飛艇尾翼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

飛艇的尾部結(jié)構(gòu)通常由一組固定尾翼組成，尾翼后緣的鉸鏈托架上安裝有操縱翼面[10]。尾翼一般情況下均位于飛艇艇囊的末端，在飛行過程中通過可動后緣翼面即舵面實(shí)施對飛艇的操縱。從原理上講，飛艇的尾翼和飛機(jī)的尾翼[11—12]相類似。

飛艇尾翼通常有三種布局方案，即十字形、X形[13]和三面形[14]。飛艇尾翼結(jié)構(gòu)由一系列相互連接的梁和翼肋組成，整體形成一個剛性結(jié)構(gòu)。在剛性結(jié)構(gòu)的表面覆蓋織物蒙皮，蒙皮上涂有絕熱的并能夠防止收縮的涂料，從而保證尾翼有一個平滑的氣動外形，與泡沫夾芯板相比，其質(zhì)量、抗沖擊性和修復(fù)性等方面均具有較明顯的優(yōu)勢[9]。一般情況下，飛艇尾翼蒙皮質(zhì)量約占尾翼總質(zhì)量的10%，采用輕質(zhì)蒙布作為尾翼蒙皮材料可有效減輕尾翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2 飛艇蒙皮材料

飛艇蒙皮材料多為涂層織物，涂層織物一般情況下單位面積的質(zhì)量較輕，維修性好[15]，具有特定的剛度。齊柏林 NT系列飛艇中其蒙皮材料為夾芯面板結(jié)構(gòu)，其中，表層為一層玻璃纖維布和一層碳纖維布，中間夾芯層為PVC泡沫夾芯，內(nèi)部一層為碳纖維布[9]。該型蒙皮材料雖然強(qiáng)度高、修復(fù)性較好，但是質(zhì)量重（面密度約為 257 g/m2）、抗沖擊性差、制造工藝復(fù)雜，而且成本高。其缺點(diǎn)是嚴(yán)重限制了夾芯蒙皮在飛艇尾翼中的應(yīng)用范圍。

涂層織物蒙皮材料與尾翼骨架材料連接后，需要具有一定的預(yù)應(yīng)力，以便形成良好的氣動外形。相比于芳族聚酰胺織物、玻璃纖維織物以及碳纖維織物材料，聚酯纖維等紡織品更適合用于蒙皮材料，因為紡織類織物材料通過刷涂涂布油等手段容易獲得預(yù)應(yīng)力。

文中考慮載荷大小以及成本等因素，主要選取了錦絲平紋綢為待用的織物材料。該織物材料主要是由聚酰胺 6纖維以平紋組織織造而成，具有輕薄、硬挺等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于降落傘等領(lǐng)域。其中，錦絲平紋綢-514主要性能參數(shù)見表1。

表1 錦絲平紋綢-514性能參數(shù)Table 1 The performance of polyamide plain weave fabric-514

此外，為了對比，在本次試驗中選取了一種囊體織物材料（材料編號為HD150）進(jìn)行覆蓋試驗，HD150氣囊材料的主要性能參數(shù)見表2。該氣囊材料織物層為滌綸纖維，外部覆蓋有防老化涂層，其結(jié)構(gòu)為典型的涂層織物材料，具有較好的代表性。

表2 HD150性能參數(shù)Table 2 The performance of HD150

在此次選材試驗中，由于實(shí)際覆蓋過程中，HD150材料表現(xiàn)出無法張緊，不能形成良好的氣動外形，而且由于該材料與尾翼骨架膠接工藝難控制，故后續(xù)試驗未開展覆蓋后的性能測試，主要以錦絲平紋綢為研究對象。

3 低成本尾翼蒙布設(shè)計與試驗驗證

錦絲平紋綢雖然具有質(zhì)量輕、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于透氣率較高，以及抗老化相對較差等缺點(diǎn)，不能將其直接用于飛艇尾翼蒙布。文中通過將熱塑膜與錦絲平紋綢進(jìn)行復(fù)合得到了一種新的復(fù)合蒙布，它繼承了錦絲平紋綢自身的特點(diǎn)，同時具有表面美觀、不透氣、抗老化和工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。熱塑膜的復(fù)合增加了錦絲平紋綢的抗拉強(qiáng)度，提高了其環(huán)境穩(wěn)定性（溫度高時預(yù)應(yīng)力高，蒙布收縮；溫度降低時預(yù)應(yīng)力下降）。錦絲平紋綢-514與熱塑膜的典型連接設(shè)計如圖1和圖2所示。

圖1 錦絲平紋綢-514搭接連接強(qiáng)度試驗件Fig.1 Joint strength test piece of polyamide plain weave fabric-514

圖2 熱塑膜搭接部位連接強(qiáng)度試驗件Fig.2 Joint strength test piece of thermoplastic membrane

針對典型連接，開展了拉伸強(qiáng)度試驗，試驗件安裝如圖3所示，試驗件共兩組。測試結(jié)果見表3。

圖3 試驗件安裝示意Fig.3 The fixation of test piece

表3 試驗數(shù)據(jù)記錄表Table 3 Tensile strength data of test pieces

由表3數(shù)據(jù)可知，通過將錦絲平紋綢與熱塑膜進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合蒙布材料的拉伸強(qiáng)度得到了顯著提高，為錦絲平紋綢本體強(qiáng)度的1.6倍以上。熱塑膜搭接拉伸強(qiáng)度試驗件破壞形式如圖4所示。

圖4 熱塑膜搭接連接后蒙布破壞形式Fig.4 The failure mode of test piece

為了更好地模擬驗證蒙布材料在尾翼極限載荷下的使用情況，選取了某型飛艇尾翼最大格框作為試驗對象，并將復(fù)合蒙布覆蓋到格框邊緣，試驗型架如圖5所示。

圖5 試驗件安裝示意Fig.5 The fixation of composite skin

試驗件加載中，為了模擬飛艇尾翼氣動載荷，通過制作木質(zhì)水箱用于載荷的施加，水箱如圖6所示。水箱通過支撐耳片進(jìn)行支撐，防止格框蒙布膠接區(qū)域被水箱擠壓，保持試驗件受力狀態(tài)與實(shí)際受力形式一致。同時在水箱內(nèi)壁涂抹潤滑脂減小摩擦。

圖6 水箱Fig.6 Water tank

蒙布承受100%極限載荷時，蒙布的受力狀況以及蒙布的最大變形如圖7所示。從試驗結(jié)果可以看出，該型復(fù)合蒙布表現(xiàn)出了良好的物理特性，而且蒙布發(fā)生的變形均為彈性變形，不會因載荷達(dá)到極限載荷而發(fā)生塑性變形。

圖7 加載至100%極限載荷Fig.7 The limit load of composite skin

通過以上驗證試驗表明，該型蒙布能夠滿足某型飛艇尾翼載荷、質(zhì)量以及工藝性要求。該型蒙布在某型飛艇尾翼骨架中得到了成功應(yīng)用，尾翼蒙布成型后如圖8所示。

圖8 某型飛艇尾翼蒙布應(yīng)用Fig.8 The application of composite skin

該型飛艇經(jīng)過試驗試飛，尾翼蒙布表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)性，出色地完成了各項飛行試驗，經(jīng)受住了復(fù)雜環(huán)境的考驗，成功地應(yīng)用于中型飛艇中。

5 結(jié)論

文中給出了一種復(fù)合蒙布的制作方法，即通過綢類織物材料與熱塑膜進(jìn)行復(fù)合形成不同強(qiáng)度指標(biāo)的一系列蒙布材料。該型蒙布具有質(zhì)量輕、抗老化性能優(yōu)以及成本低等特點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下所述：錦絲平紋綢-514與熱塑膜復(fù)合蒙布的質(zhì)量為110 g/m2，相對于同等強(qiáng)度的涂層織物材料輕約30%；該型蒙布通過刷涂涂布油可以獲得預(yù)應(yīng)力，便于形成光滑的氣動外形，外觀整潔美觀；通過選擇合適的膠黏劑可以與復(fù)合材料、木質(zhì)或金屬骨架進(jìn)行膠接，工藝性好；具有較好的修復(fù)性，即通過二次膠接可以快速地修復(fù)缺陷或破口；錦絲平紋綢本身抗老化性能一般，通過與熱塑膜復(fù)合得到了良好的抗老化性能，提高了其環(huán)境適應(yīng)性；該型蒙布不但可以作為尾翼蒙布使用，同時可以用于框架結(jié)構(gòu)的外裝飾，達(dá)到整流等效果。

該型蒙布目前主要應(yīng)用于小型以及中型飛艇中，在大型飛艇中的應(yīng)用有待進(jìn)一步的理論分析與試驗驗證。

[1] 曹旭, 高誠賢. PBO基質(zhì)平流層飛艇蒙皮材料的制備研究[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2009, 34(4): 37—42. CAO Xu, GAO Cheng-xian. Fabrication and Investigation of Stratospheric Airship Envelope Materials with PBO Fabric as Load-carriers[J]. Hi-tech Fiber & Application, 2009, 34(4): 37—42.

[2] 譚惠豐, 王超, 王長國. 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的新型平流層飛艇研究進(jìn)展[J]. 航空學(xué)報, 2010, 31(2): 257—264. TAN Hui-feng, WANG Chao, WANG Chang-guo. Progress of New Type Stratospheric Airships for Realization of Lightweight[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2010, 31(2): 257—264.

[3] YUNG Gyo-lee, DONG Min-kim, CHAN Hong-yeom. Development of Korean High Altitude Platform Systems [J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2006, 13(1): 31—42.

[4] WANGGU K, YOUNGWOOK S, Kyeongsik W, et al. Mechanical Property Characterization of Film-fabric Laminate for Stratospheric Airship Envelope[J]. Composite Structures, 2006, 75: 151—155.

[5] 張金奎, 劉濤, 魯國富. 飛艇蒙皮材料加速老化性能試驗研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(4): 93—97. ZHANG Jin-kui, LIU Tao, LU Guo-fu. Research on Accelerated Test of Airship Envelop Material[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(4): 93—97.

[6] 費(fèi)東年, 王軍, 高尚書. 浮空器設(shè)備掛架結(jié)構(gòu)總體設(shè)計[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(8): 1968—1972. FEI Dong-nian, WANG Jun, GAO Shang-shu. Design of the Structure of Equipment-truss Mounted over the Ball [J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(8): 1968—1972.

[7] 李云仲, 熊偉, 朱辰, 等. 系留氣球軟式索具加速老化試驗研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(3): 44—46. LI Yun-zhong, XIONG Wei, ZHU Chen, et al. Research on Captive Balloon Soft Rigging by Accelerated Ageing Test[J]. Equipment Environmental Engineering. 2013, 10(3): 44—46.

[8] 朱強(qiáng), 李元章, 李云仲, 等. 低成本復(fù)合材料在小型飛艇吊艙上的應(yīng)用[J]. 環(huán)境裝備與工程, 2015, 12(1): 110—113. ZHU Qiang, LI Yuan-zhang, Li Yun-zhong, et al. Application of Low-cost Composite Materials in the Small Airship Pod[J]. Equipment Environmental Engineering,2015, 12(1): 110—113.

[9] THOMAS K, ULRICH B, MICHAEL L, et al. Advanced Tailplane Designs and Repair Mechanisms for the Semirigid Airship Zeppilin NT[R]. American Institute of Aeromautics and Astronautics, 2005-7465: 1—12.

[10] KHOURY G A, GILLETT J D. 飛艇技術(shù)[M]. 王生, 譯.北京: 科學(xué)出版社, 2009: 145. KHOURY G A, GILLETT J D. Airship technology[M]. WANG Sheng, Translate. Beijing: Science Press, 2009: 145.

[11] 劉磊, 高正紅. X型尾翼布局對無人機(jī)靜穩(wěn)定性的影響[J]. 飛行力學(xué), 2007, 25(1): 15—18. LIU Lei, GAO Zheng-hong, Study on the Impact of X-tail on Static Stability for an UAV[J]. Flight Dynamics, 2007, 25(1): 15—18.

[12] 李瓊云, 王正平. V形尾翼氣動布局縱向力矩特性研究[J]. 飛行力學(xué), 2008, 26(4): 8—10. LI Qiong-yun, WANG Zheng-ping. Investigation of Longitudinal Moment Characteristics of Vee Tail[J]. Flight Dynamics, 2008, 26(4): 8—10.

[13] 肖厚地, 劉龍斌, 呂明云. X 型尾翼臨近空間飛艇隱身特性仿真[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2015, 41(1): 181—186. XIAO Hou-di, LIU Long-bin, LYU Ming-yun. Simulation on Stealth Characteristics of X-tail Near Space Airship[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(1): 181—186.

[14] 基里林·阿列克桑德拉·尼卡拉伊維奇. 現(xiàn)代飛艇設(shè)計導(dǎo)論[M]. 吳飛, 王培美, 譯. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009: 4. Александр Николаевич Кирилин. Introduction to Modern Airship Design[M]. WU Fei, WANG Pei-mei, Translate. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 4.

[15] 尹鳳雷, 熊偉, 李云仲. 織物材料開口結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(4): 114—116. YIN Feng-lei, XIONG Wei, LI Yun-zhong. Opening Structure Reinforcement Method of Textile Material[J]. Equipment Environmental Engineering, 2013, 10(4): 114—116.

Application of Low Cost and Light Composite Fabric Cover in the Airship Empennage

SONG Jia-kui,SHI Zhi-xiang
(China Special Aircraft Research Institute, Jingmen 448035, China)

ObjectiveTo study a low cost and light composite fabric cover design to be used in empennage of middle- and small-sized airships.MethodsThe research methods including material selection, connection design and typical composite fabric cover performance test were used.ResultsThe fabric cover was successfully applied in a large-sized airship empennage and showed excellent mechanical property, high reliability and good maintainability.ConclusionCompared with the gasbag materials of the same strength, its structural weight is 30% lower. Besides, this kind of composite fabric cover can also be used in the decoration of airship frame structure and is of high use value.

airship; empennage; composite fabric cover

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.023

TJ04；V274

A

1672-9242(2016)06-0135-05

2016-06-22；

2016-07-02

Received：2016-06-22；Revised：2016-07-02

宋家奎（1985—），男，河南許昌人，工程師，主要研究方向為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計

Biography：SONG Jia-kui(1985—), male, from Xuchang, Henan, Engineer, Research focus: aircraft structure design.