低成本輕質復合蒙布在飛艇尾翼中的應用

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

裝備通用質量特性及壽命評估

低成本輕質復合蒙布在飛艇尾翼中的應用

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復合蒙布設計，為中小型飛艇尾翼提供蒙皮材料。方法通過材料選型、連接設計、典型的復合蒙布性能測試。結果實現了該型蒙布在某大型飛艇尾翼中的應用，表現出了良好的力學性能、可靠性與維修性。結論結構質量與同等強度的氣囊材料相比約輕30%。同時，該型復合蒙布還可用于飛艇框架結構的裝飾，具有較高的使用價值。

飛艇；尾翼；復合蒙布

飛艇作為一種依靠浮力的飛行器，相對當前的常規飛行器來說，具備低成本的特點。然而大量先進材料和儀器的使用以及飛艇技術指標的提高，飛艇研制、試驗及制造的費用呈現明顯的上升趨勢。

目前，飛艇結構中大量使用了輕質蒙皮材料[1—5]、鋁合金[6]、軟式索具[7]以及復合材料[8]，尤其是大量復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/碳纖維復合材料制作[9]。為了盡可能降低研制成本和使用維護成本，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、質量輕、工藝性好、可模塊化組合以及穩定性好等特點。大量的試驗驗證以及工程應用表明，該復合蒙布材料能夠適應各種復雜環境和工況，具備較高的使用價值。

1 飛艇尾翼結構特點

飛艇的尾部結構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施對飛艇的操縱。從原理上講，飛艇的尾翼和飛機的尾翼[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]。飛艇尾翼結構由一系列相互連接的梁和翼肋組成，整體形成一個剛性結構。在剛性結構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，其質量、抗沖擊性和修復性等方面均具有較明顯的優勢[9]。一般情況下，飛艇尾翼蒙皮質量約占尾翼總質量的10%，采用輕質蒙布作為尾翼蒙皮材料可有效減輕尾翼結構質量。

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構，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，內部一層為碳纖維布[9]。該型蒙皮材料雖然強度高、修復性較好，但是質量重（面密度約為 257 g/m2）、抗沖擊性差、制造工藝復雜，而且成本高。其缺點是嚴重限制了夾芯蒙皮在飛艇尾翼中的應用范圍。

涂層織物蒙皮材料與尾翼骨架材料連接后，需要具有一定的預應力，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應力。

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，主要應用于降落傘等領域。其中，錦絲平紋綢-514主要性能參數見表1。

表1 錦絲平紋綢-514性能參數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）進行覆蓋試驗，HD150氣囊材料的主要性能參數見表2。該氣囊材料織物層為滌綸纖維，外部覆蓋有防老化涂層，其結構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Table 2 The performance of HD150

在此次選材試驗中，由于實際覆蓋過程中，HD150材料表現出無法張緊，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 低成本尾翼蒙布設計與試驗驗證

錦絲平紋綢雖然具有質量輕、工藝性好等優點，但是由于透氣率較高，以及抗老化相對較差等缺點，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行復合得到了一種新的復合蒙布，它繼承了錦絲平紋綢自身的特點，同時具有表面美觀、不透氣、抗老化和工藝性好等優點。熱塑膜的復合增加了錦絲平紋綢的抗拉強度，提高了其環境穩定性（溫度高時預應力高，蒙布收縮；溫度降低時預應力下降）。錦絲平紋綢-514與熱塑膜的典型連接設計如圖1和圖2所示。

圖1 錦絲平紋綢-514搭接連接強度試驗件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，開展了拉伸強度試驗，試驗件安裝如圖3所示，試驗件共兩組。測試結果見表3。

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

表3 試驗數據記錄表Table 3 Tensile strength data of test pieces

由表3數據可知，通過將錦絲平紋綢與熱塑膜進行復合，復合蒙布材料的拉伸強度得到了顯著提高，為錦絲平紋綢本體強度的1.6倍以上。熱塑膜搭接拉伸強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行支撐，防止格框蒙布膠接區域被水箱擠壓，保持試驗件受力狀態與實際受力形式一致。同時在水箱內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。從試驗結果可以看出，該型復合蒙布表現出了良好的物理特性，而且蒙布發生的變形均為彈性變形，不會因載荷達到極限載荷而發生塑性變形。

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用，尾翼蒙布成型后如圖8所示。

圖8 某型飛艇尾翼蒙布應用Fig.8 The application of composite skin

該型飛艇經過試驗試飛，尾翼蒙布表現出了較強的適應性，出色地完成了各項飛行試驗，經受住了復雜環境的考驗，成功地應用于中型飛艇中。

5 結論

文中給出了一種復合蒙布的制作方法，即通過綢類織物材料與熱塑膜進行復合形成不同強度指標的一系列蒙布材料。該型蒙布具有質量輕、抗老化性能優以及成本低等特點。其主要優點如下所述：錦絲平紋綢-514與熱塑膜復合蒙布的質量為110 g/m2，相對于同等強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應力，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合材料、木質或金屬骨架進行膠接，工藝性好；具有較好的修復性，即通過二次膠接可以快速地修復缺陷或破口；錦絲平紋綢本身抗老化性能一般，通過與熱塑膜復合得到了良好的抗老化性能，提高了其環境適應性；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構的外裝飾，達到整流等效果。

該型蒙布目前主要應用于小型以及中型飛艇中，在大型飛艇中的應用有待進一步的理論分析與試驗驗證。

[1] 曹旭, 高誠賢. PBO基質平流層飛艇蒙皮材料的制備研究[J]. 高科技纖維與應用, 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. 實現結構輕量化的新型平流層飛艇研究進展[J]. 航空學報, 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] 費東年, 王軍, 高尚書. 浮空器設備掛架結構總體設計[J]. 科學技術與工程, 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, 李元章, 李云仲, 等. 低成本復合材料在小型飛艇吊艙上的應用[J]. 環境裝備與工程, 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[M]. 王生, 譯.北京: 科學出版社, 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靜穩定性的影響[J]. 飛行力學, 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, 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]. 北京航空航天大學學報, 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. 現代飛艇設計導論[M]. 吳飛, 王培美, 譯. 北京: 國防工業出版社, 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. 織物材料開口結構補強方法研究[J]. 裝備環境工程, 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構設計

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