論述一種平流層飛艇蒙皮材料

摘 要：文章介紹了飛艇蒙皮材料的組成與選擇，并對當前平流層飛艇研制中有關材料方面的某些問題，如飛艇主結構層材料的組成與特性、飛艇內外氣囊材料的膜材、纖維的配置織法、主結構纖維的涂層前工藝、飛艇氣囊膜片的連接等方面進行了分析與介紹。

關鍵詞;平流層;飛艇材料;研制

1 概述

平流層飛艇是隨著科學技術不斷發展起來的一種新型近空間多功能飛行平臺。在研制的許多概念上，如工作環境、蒙皮材料、能源、動力推進等關鍵技術上都是截然不同于低空飛艇，許多方面臨著極大的挑戰。其中最首要的問題是飛艇的材料。平流層飛艇的蒙皮材料必須采用高強度、阻氦氣滲漏性能最佳、耐侯性最好的輕質材料。否則無法研制實用的平流層飛艇。眾所周知，同樣的有效載荷的低空艇就不需要做得很大，而平流層飛艇卻要做得很大。因為，處在相同內外壓差條件下的飛艇，大直徑的飛艇迫使飛艇要有足夠高強度的材料支持。

2 浮升氣體對艇體材料的影響

作為平流層飛艇的浮升氣體，從目前來看主要是氫氣與氦氣，平流層飛艇設計工作高度，一般是在18～24km左右，由于在該高度的空氣密度僅為地面的l/l4。因此，即使攜帶較少的有效載荷也需要制作很大體積的飛艇，才能勝任。1937年興登堡D—L129飛艇在美國新澤西州萊克赫斯特基地著陸時著火爆炸，30多人罹難。之后，氫氣己退出應用于飛艇的歷史舞臺，美國聯邦航空管理局也禁止使用氫氣作為飛艇的浮力氣體。但如今科技的發展，浮升氣體的用途越來越廣，量也越來越大。因此，許多學者重新提出使用氫氣作為飛艇的浮升氣體。應當考慮到，平流層飛艇必競不是載人的，使用氫氣作為浮升氣體，由于氫分子比氦分子更小，對材料的防滲透性能要求將會更高。

3 平流層飛艇的材料

3.1 對平流層飛艇的材料要求

不管使用的浮升氣體是氫氣或氦氣，由于飛艇是工作在平流層特殊的環境中，因此對平流層飛艇蒙皮材料都有如下要求。

1）強度要高，因為材料強度取決于飛艇的體積，平流層飛艇蒙皮材料的強度應大于5000 N/5cm～6500N/5cm;

2）質量要輕，如果過高的材料面密度使飛艇的凈浮力極大的喪失，難以升到平流層高度;

3）耐環境（耐候性）性能要好，環境因素包括高低溫、濕度、超強紫外線輻射、耐臭氧等;

4）阻氦氣滲漏性能強，不論平流層飛艇采用氫氣或氦氣為浮升氣體，都需長期工作，阻氦氣滲漏性能顯得十分非常重要、由于氫氣分子比氦氣分子更小，采用氫氣為浮升氣體時對材料阻滲漏性能要求會更高，

5）其它性能，如抗皺折、為保持飛艇外型所需的抗蠕變性能、縫合工藝性及易于修補性能都應當優良。

3.2 飛艇膜材主結構纖維的編織方法

按編織主結構纖維編織方法分的織物有：稀紗編織平紋織物、密紗編織平紋織物、平置織物。

（1）平紋織物

平織法是經線被拉緊，緯線在經線中上下交叉編織，經緯線為直角，經緯線較稀時，呈為網膜，粘性強，撕裂強度高，抗拉強度低，網格內的涂層易受到損害。

（2）密紗編織平紋織物

經緯線較密，撕裂強度低，纖維抗拉強度高，織物可用液體涂層劑直接進行涂層處理，由于編織密度高，編織完的纖維呈三角形，用的涂層材料多，織物厚度近似于三層纖維厚度。

（3）平置織物

平置織物的經緯線相互呈簡單的正交平置，抗撕性高，并且撕裂與拉伸、機械與化學粘接性都相當，經緯向拉伸變形小，二向纖維相互作用弱，纖維厚度近似于二層。

目前飛艇艇膜織物常采用編織方法有平織或Panama織法，早期用雙層織物，一層平織，一層斜織。Panama方法是指一次編織多根纖維，非單根纖維的編織方式。如12xl2Panama編織表示在1cm范圍內有12根經向紗線和12緯向紗線。2—2、3—3織法分別表示一次用二根或三根進行編織。因為一次編織多根紗線比平織法單根纖維編織的膜材力學性能要好。值得注意的是12xl2Panama編織密度高并不表示比9x9Panama膜材強度高。因此，只有綜合考慮纖維紡紗線的編織方法與紗線的纖度的強度，才能反映膜材的強度。據報道高空飛艇基布常采用Panama織法13x13或15x15。

3.3 膜材主結構纖維的涂層前工藝

由于纖維編織工藝不同，在載荷作用下，往往緯向纖維具有不同的行為特性。近似直線的經向纖維僅作伸展變形，而波浪卷曲的緯向纖維卻被拉平，該拉力使經向纖維產生小量的彎矩。這種幾何變形將導致膜纖維在初始載荷下出現正交異性。為克服此缺點，嚴格控制筆直纖維的數量。宜在涂層之前對雙向纖維進行特定的預張拉。使雙向纖維彼此均勻地呈波浪卷曲編織，兩向纖維形狀相近，卷曲度降低，纖維基布厚度減小。進而使纖維頂部涂層厚度增加，經緯向力學特性接近。這樣艇膜纖維卷曲度低，飛艇的幾何尺寸穩定性好，蠕變減小，使用壽命就能延長。

3.4 飛艇氣囊膜片的連接

飛艇外氣囊膜片連接，一般有對接（平接）、搭接與錯接，飛艇外氣囊膜片連接節點雖然可采用搭接，但大型飛艇多采用對接拼法，局部拼接處采用錯接。對接采用專用對接膜帶和膠合劑，并用高頻融接，兩片間隙約lmm，外對接帶的寬度為60—80mm，內對接帶的寬度為40—50mm。背貼對接帶基布纖維與結構膜一致，纖維主向與帶長邊呈土45o，單面有面層涂層。節點滲透性極低，氣囊膜受力均勻，節點強度高，一般節點強度要應大于膜材強度。有單位建議艇膜的拼接采用縫合方法，然后對針眼進行密封處理，這種連接方法國外雖尚未使用，但值得研究。

4 結束語

平流層飛艇的發展對艇膜材料的性能要求大大地提高了一步。其實，目前所提出的材料面密度、抗老化、阻氦性能指標僅是性能的一部分，相隨的其它性能，如成品的經緯向強度、抗輻射、抗撕性、層間粘合性、抗皺折、修補術、熱物理性能、幅寬及工藝性都會涉及飛艇的研制，平流層飛艇艇膜材料需要研究的問題也很多。

參考文獻

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[2]陳務軍.膜結構工程設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]劉玉伏，龔榮興.美軍浮空器的發展[J].國防科技，2007

作者簡介：

李向林（1984.09—），高級工，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究。