低成本轻质复合蒙布在飞艇尾翼中的应用

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

装备通用质量特性及寿命评估

低成本轻质复合蒙布在飞艇尾翼中的应用

宋家奎，石志想

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

目的研究一种低成本轻质复合蒙布设计，为中小型飞艇尾翼提供蒙皮材料。方法通过材料选型、连接设计、典型的复合蒙布性能测试。结果实现了该型蒙布在某大型飞艇尾翼中的应用，表现出了良好的力学性能、可靠性与维修性。结论结构质量与同等强度的气囊材料相比约轻30%。同时，该型复合蒙布还可用于飞艇框架结构的装饰，具有较高的使用价值。

飞艇；尾翼；复合蒙布

飞艇作为一种依靠浮力的飞行器，相对当前的常规飞行器来说，具备低成本的特点。然而大量先进材料和仪器的使用以及飞艇技术指标的提高，飞艇研制、试验及制造的费用呈现明显的上升趋势。

目前，飞艇结构中大量使用了轻质蒙皮材料[1—5]、铝合金[6]、软式索具[7]以及复合材料[8]，尤其是大量复合材料的使用使得飞艇的成本得到大大的提高。如齐柏林Zeppelin-NT飞艇尾翼采用玻璃钢/碳纤维复合材料制作[9]。为了尽可能降低研制成本和使用维护成本，对于保证气动外形的尾翼蒙布来说，可考虑采用低成本的蒙布材料代替，如帆绸类织物材料。

文中将介绍一种低成本、轻质的蒙布材料，主要用于飞艇尾翼的蒙皮。该蒙布材料具有成本低、质量轻、工艺性好、可模块化组合以及稳定性好等特点。大量的试验验证以及工程应用表明，该复合蒙布材料能够适应各种复杂环境和工况，具备较高的使用价值。

1 飞艇尾翼结构特点

飞艇的尾部结构通常由一组固定尾翼组成，尾翼后缘的铰链托架上安装有操纵翼面[10]。尾翼一般情况下均位于飞艇艇囊的末端，在飞行过程中通过可动后缘翼面即舵面实施对飞艇的操纵。从原理上讲，飞艇的尾翼和飞机的尾翼[11—12]相类似。

飞艇尾翼通常有三种布局方案，即十字形、X形[13]和三面形[14]。飞艇尾翼结构由一系列相互连接的梁和翼肋组成，整体形成一个刚性结构。在刚性结构的表面覆盖织物蒙皮，蒙皮上涂有绝热的并能够防止收缩的涂料，从而保证尾翼有一个平滑的气动外形，与泡沫夹芯板相比，其质量、抗冲击性和修复性等方面均具有较明显的优势[9]。一般情况下，飞艇尾翼蒙皮质量约占尾翼总质量的10%，采用轻质蒙布作为尾翼蒙皮材料可有效减轻尾翼结构质量。

2 飞艇蒙皮材料

飞艇蒙皮材料多为涂层织物，涂层织物一般情况下单位面积的质量较轻，维修性好[15]，具有特定的刚度。齐柏林 NT系列飞艇中其蒙皮材料为夹芯面板结构，其中，表层为一层玻璃纤维布和一层碳纤维布，中间夹芯层为PVC泡沫夹芯，内部一层为碳纤维布[9]。该型蒙皮材料虽然强度高、修复性较好，但是质量重（面密度约为 257 g/m2）、抗冲击性差、制造工艺复杂，而且成本高。其缺点是严重限制了夹芯蒙皮在飞艇尾翼中的应用范围。

涂层织物蒙皮材料与尾翼骨架材料连接后，需要具有一定的预应力，以便形成良好的气动外形。相比于芳族聚酰胺织物、玻璃纤维织物以及碳纤维织物材料，聚酯纤维等纺织品更适合用于蒙皮材料，因为纺织类织物材料通过刷涂涂布油等手段容易获得预应力。

文中考虑载荷大小以及成本等因素，主要选取了锦丝平纹绸为待用的织物材料。该织物材料主要是由聚酰胺 6纤维以平纹组织织造而成，具有轻薄、硬挺等特点，主要应用于降落伞等领域。其中，锦丝平纹绸-514主要性能参数见表1。

表1 锦丝平纹绸-514性能参数Table 1 The performance of polyamide plain weave fabric-514

此外，为了对比，在本次试验中选取了一种囊体织物材料（材料编号为HD150）进行覆盖试验，HD150气囊材料的主要性能参数见表2。该气囊材料织物层为涤纶纤维，外部覆盖有防老化涂层，其结构为典型的涂层织物材料，具有较好的代表性。

表2 HD150性能参数Table 2 The performance of HD150

在此次选材试验中，由于实际覆盖过程中，HD150材料表现出无法张紧，不能形成良好的气动外形，而且由于该材料与尾翼骨架胶接工艺难控制，故后续试验未开展覆盖后的性能测试，主要以锦丝平纹绸为研究对象。

3 低成本尾翼蒙布设计与试验验证

锦丝平纹绸虽然具有质量轻、工艺性好等优点，但是由于透气率较高，以及抗老化相对较差等缺点，不能将其直接用于飞艇尾翼蒙布。文中通过将热塑膜与锦丝平纹绸进行复合得到了一种新的复合蒙布，它继承了锦丝平纹绸自身的特点，同时具有表面美观、不透气、抗老化和工艺性好等优点。热塑膜的复合增加了锦丝平纹绸的抗拉强度，提高了其环境稳定性（温度高时预应力高，蒙布收缩；温度降低时预应力下降）。锦丝平纹绸-514与热塑膜的典型连接设计如图1和图2所示。

图1 锦丝平纹绸-514搭接连接强度试验件Fig.1 Joint strength test piece of polyamide plain weave fabric-514

图2 热塑膜搭接部位连接强度试验件Fig.2 Joint strength test piece of thermoplastic membrane

针对典型连接，开展了拉伸强度试验，试验件安装如图3所示，试验件共两组。测试结果见表3。

图3 试验件安装示意Fig.3 The fixation of test piece

表3 试验数据记录表Table 3 Tensile strength data of test pieces

由表3数据可知，通过将锦丝平纹绸与热塑膜进行复合，复合蒙布材料的拉伸强度得到了显著提高，为锦丝平纹绸本体强度的1.6倍以上。热塑膜搭接拉伸强度试验件破坏形式如图4所示。

图4 热塑膜搭接连接后蒙布破坏形式Fig.4 The failure mode of test piece

为了更好地模拟验证蒙布材料在尾翼极限载荷下的使用情况，选取了某型飞艇尾翼最大格框作为试验对象，并将复合蒙布覆盖到格框边缘，试验型架如图5所示。

图5 试验件安装示意Fig.5 The fixation of composite skin

试验件加载中，为了模拟飞艇尾翼气动载荷，通过制作木质水箱用于载荷的施加，水箱如图6所示。水箱通过支撑耳片进行支撑，防止格框蒙布胶接区域被水箱挤压，保持试验件受力状态与实际受力形式一致。同时在水箱内壁涂抹润滑脂减小摩擦。

图6 水箱Fig.6 Water tank

蒙布承受100%极限载荷时，蒙布的受力状况以及蒙布的最大变形如图7所示。从试验结果可以看出，该型复合蒙布表现出了良好的物理特性，而且蒙布发生的变形均为弹性变形，不会因载荷达到极限载荷而发生塑性变形。

图7 加载至100%极限载荷Fig.7 The limit load of composite skin

通过以上验证试验表明，该型蒙布能够满足某型飞艇尾翼载荷、质量以及工艺性要求。该型蒙布在某型飞艇尾翼骨架中得到了成功应用，尾翼蒙布成型后如图8所示。

图8 某型飞艇尾翼蒙布应用Fig.8 The application of composite skin

该型飞艇经过试验试飞，尾翼蒙布表现出了较强的适应性，出色地完成了各项飞行试验，经受住了复杂环境的考验，成功地应用于中型飞艇中。

5 结论

文中给出了一种复合蒙布的制作方法，即通过绸类织物材料与热塑膜进行复合形成不同强度指标的一系列蒙布材料。该型蒙布具有质量轻、抗老化性能优以及成本低等特点。其主要优点如下所述：锦丝平纹绸-514与热塑膜复合蒙布的质量为110 g/m2，相对于同等强度的涂层织物材料轻约30%；该型蒙布通过刷涂涂布油可以获得预应力，便于形成光滑的气动外形，外观整洁美观；通过选择合适的胶黏剂可以与复合材料、木质或金属骨架进行胶接，工艺性好；具有较好的修复性，即通过二次胶接可以快速地修复缺陷或破口；锦丝平纹绸本身抗老化性能一般，通过与热塑膜复合得到了良好的抗老化性能，提高了其环境适应性；该型蒙布不但可以作为尾翼蒙布使用，同时可以用于框架结构的外装饰，达到整流等效果。

该型蒙布目前主要应用于小型以及中型飞艇中，在大型飞艇中的应用有待进一步的理论分析与试验验证。

[1] 曹旭, 高诚贤. PBO基质平流层飞艇蒙皮材料的制备研究[J]. 高科技纤维与应用, 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] 谭惠丰, 王超, 王长国. 实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展[J]. 航空学报, 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] 张金奎, 刘涛, 鲁国富. 飞艇蒙皮材料加速老化性能试验研究[J]. 装备环境工程, 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] 费东年, 王军, 高尚书. 浮空器设备挂架结构总体设计[J]. 科学技术与工程, 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, 熊伟, 朱辰, 等. 系留气球软式索具加速老化试验研究[J]. 装备环境工程, 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] 朱强, 李元章, 李云仲, 等. 低成本复合材料在小型飞艇吊舱上的应用[J]. 环境装备与工程, 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. 飞艇技术[M]. 王生, 译.北京: 科学出版社, 2009: 145. KHOURY G A, GILLETT J D. Airship technology[M]. WANG Sheng, Translate. Beijing: Science Press, 2009: 145.

[11] 刘磊, 高正红. X型尾翼布局对无人机静稳定性的影响[J]. 飞行力学, 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] 李琼云, 王正平. V形尾翼气动布局纵向力矩特性研究[J]. 飞行力学, 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, 刘龙斌, 吕明云. X 型尾翼临近空间飞艇隐身特性仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 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·尼卡拉伊维奇. 现代飞艇设计导论[M]. 吴飞, 王培美, 译. 北京: 国防工业出版社, 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] 尹凤雷, 熊伟, 李云仲. 织物材料开口结构补强方法研究[J]. 装备环境工程, 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，河南许昌人，工程师，主要研究方向为飞行器结构设计

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