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摘 要：文章介绍了飞艇蒙皮材料的组成与选择，并对当前平流层飞艇研制中有关材料方面的某些问题，如飞艇主结构层材料的组成与特性、飞艇内外气囊材料的膜材、纤维的配置织法、主结构纤维的涂层前工艺、飞艇气囊膜片的连接等方面进行了分析与介绍。
关键词;平流层;飞艇材料;研制
1 概述
平流层飞艇是随着科学技术不断发展起来的一种新型近空间多功能飞行平台。在研制的许多概念上，如工作环境、蒙皮材料、能源、动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇，许多方面临着极大的挑战。其中最首要的问题是飞艇的材料。平流层飞艇的蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗漏性能最佳、耐侯性最好的轻质材料。否则无法研制实用的平流层飞艇。众所周知，同样的有效载荷的低空艇就不需要做得很大，而平流层飞艇却要做得很大。因为，处在相同内外压差条件下的飞艇，大直径的飞艇迫使飞艇要有足够高强度的材料支持。
2 浮升气体对艇体材料的影响
作为平流层飞艇的浮升气体，从目前来看主要是氢气与氦气，平流层飞艇设计工作高度，一般是在18～24km左右，由于在该高度的空气密度仅为地面的l/l4。因此，即使携带较少的有效载荷也需要制作很大体积的飞艇，才能胜任。1937年兴登堡D—L129飞艇在美国新泽西州莱克赫斯特基地着陆时着火爆炸，30多人罹难。之后，氢气己退出应用于飞艇的历史舞台，美国联邦航空管理局也禁止使用氢气作为飞艇的浮力气体。但如今科技的发展，浮升气体的用途越来越广，量也越来越大。因此，许多学者重新提出使用氢气作为飞艇的浮升气体。应当考虑到，平流层飞艇必竞不是载人的，使用氢气作为浮升气体，由于氢分子比氦分子更小，对材料的防渗透性能要求将会更高。
3 平流层飞艇的材料
3.1 对平流层飞艇的材料要求
不管使用的浮升气体是氢气或氦气，由于飞艇是工作在平流层特殊的环境中，因此对平流层飞艇蒙皮材料都有如下要求。
1）强度要高，因为材料强度取决于飞艇的体积，平流层飞艇蒙皮材料的强度应大于5000 N/5cm～6500N/5cm;
2）质量要轻，如果过高的材料面密度使飞艇的净浮力极大的丧失，难以升到平流层高度;
3）耐环境（耐候性）性能要好，环境因素包括高低温、湿度、超强紫外线辐射、耐臭氧等;
4）阻氦气渗漏性能强，不论平流层飞艇采用氢气或氦气为浮升气体，都需长期工作，阻氦气渗漏性能显得十分非常重要、由于氢气分子比氦气分子更小，采用氢气为浮升气体时对材料阻渗漏性能要求会更高，
5）其它性能，如抗皱折、为保持飞艇外型所需的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补性能都应当优良。
3.2 飞艇膜材主结构纤维的编织方法
按编织主结构纤维编织方法分的织物有：稀纱编织平纹织物、密纱编织平纹织物、平置织物。
（1）平纹织物
平织法是经线被拉紧，纬线在经线中上下交叉编织，经纬线为直角，经纬线较稀时，呈为网膜，粘性强，撕裂强度高，抗拉强度低，网格内的涂层易受到损害。
（2）密纱编织平纹织物
经纬线较密，撕裂强度低，纤维抗拉强度高，织物可用液体涂层剂直接进行涂层处理，由于编织密度高，编织完的纤维呈三角形，用的涂层材料多，织物厚度近似于三层纤维厚度。
（3）平置织物
平置织物的经纬线相互呈简单的正交平置，抗撕性高，并且撕裂与拉伸、机械与化学粘接性都相当，经纬向拉伸变形小，二向纤维相互作用弱，纤维厚度近似于二层。
目前飞艇艇膜织物常采用编织方法有平织或Panama织法，早期用双层织物，一层平织，一层斜织。Panama方法是指一次编织多根纤维，非单根纤维的编织方式。如12xl2Panama编织表示在1cm范围内有12根经向纱线和12纬向纱线。2—2、3—3织法分别表示一次用二根或三根进行编织。因为一次编织多根纱线比平织法单根纤维编织的膜材力学性能要好。值得注意的是12xl2Panama编织密度高并不表示比9x9Panama膜材强度高。因此，只有综合考虑纤维纺纱线的编织方法与纱线的纤度的强度，才能反映膜材的强度。据报道高空飞艇基布常采用Panama织法13x13或15x15。
3.3 膜材主结构纤维的涂层前工艺
由于纤维编织工艺不同，在载荷作用下，往往纬向纤维具有不同的行为特性。近似直线的经向纤维仅作伸展变形，而波浪卷曲的纬向纤维却被拉平，该拉力使经向纤维产生小量的弯矩。这种几何变形将导致膜纤维在初始载荷下出现正交异性。为克服此缺点，严格控制笔直纤维的数量。宜在涂层之前对双向纤维进行特定的预张拉。使双向纤维彼此均匀地呈波浪卷曲编织，两向纤维形状相近，卷曲度降低，纤维基布厚度减小。进而使纤维顶部涂层厚度增加，经纬向力学特性接近。这样艇膜纤维卷曲度低，飞艇的几何尺寸稳定性好，蠕变减小，使用寿命就能延长。
3.4 飞艇气囊膜片的连接
飞艇外气囊膜片连接，一般有对接（平接）、搭接与错接，飞艇外气囊膜片连接节点虽然可采用搭接，但大型飞艇多采用对接拼法，局部拼接处采用错接。对接采用专用对接膜带和胶合剂，并用高频融接，两片间隙约lmm，外对接带的宽度为60—80mm，内对接带的宽度为40—50mm。背贴对接帶基布纤维与结构膜一致，纤维主向与带长边呈土45o，单面有面层涂层。节点渗透性极低，气囊膜受力均匀，节点强度高，一般节点强度要应大于膜材强度。有单位建议艇膜的拼接采用缝合方法，然后对针眼进行密封处理，这种连接方法国外虽尚未使用，但值得研究。
4 结束语
平流层飞艇的发展对艇膜材料的性能要求大大地提高了一步。其实，目前所提出的材料面密度、抗老化、阻氦性能指标仅是性能的一部分，相随的其它性能，如成品的经纬向强度、抗辐射、抗撕性、层间粘合性、抗皱折、修补术、热物理性能、幅宽及工艺性都会涉及飞艇的研制，平流层飞艇艇膜材料需要研究的问题也很多。
参考文献
[1]马渝茳译.高性能纤维[M].北京：中国纺织出版社，2004.
[2]陈务军.膜结构工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[3]刘玉伏，龚荣兴.美军浮空器的发展[J].国防科技，2007
作者简介：
李向林（1984.09—），高级工，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究。
关键词;平流层;飞艇材料;研制
1 概述
平流层飞艇是随着科学技术不断发展起来的一种新型近空间多功能飞行平台。在研制的许多概念上，如工作环境、蒙皮材料、能源、动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇，许多方面临着极大的挑战。其中最首要的问题是飞艇的材料。平流层飞艇的蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗漏性能最佳、耐侯性最好的轻质材料。否则无法研制实用的平流层飞艇。众所周知，同样的有效载荷的低空艇就不需要做得很大，而平流层飞艇却要做得很大。因为，处在相同内外压差条件下的飞艇，大直径的飞艇迫使飞艇要有足够高强度的材料支持。
2 浮升气体对艇体材料的影响
作为平流层飞艇的浮升气体，从目前来看主要是氢气与氦气，平流层飞艇设计工作高度，一般是在18～24km左右，由于在该高度的空气密度仅为地面的l/l4。因此，即使携带较少的有效载荷也需要制作很大体积的飞艇，才能胜任。1937年兴登堡D—L129飞艇在美国新泽西州莱克赫斯特基地着陆时着火爆炸，30多人罹难。之后，氢气己退出应用于飞艇的历史舞台，美国联邦航空管理局也禁止使用氢气作为飞艇的浮力气体。但如今科技的发展，浮升气体的用途越来越广，量也越来越大。因此，许多学者重新提出使用氢气作为飞艇的浮升气体。应当考虑到，平流层飞艇必竞不是载人的，使用氢气作为浮升气体，由于氢分子比氦分子更小，对材料的防渗透性能要求将会更高。
3 平流层飞艇的材料
3.1 对平流层飞艇的材料要求
不管使用的浮升气体是氢气或氦气，由于飞艇是工作在平流层特殊的环境中，因此对平流层飞艇蒙皮材料都有如下要求。
1）强度要高，因为材料强度取决于飞艇的体积，平流层飞艇蒙皮材料的强度应大于5000 N/5cm～6500N/5cm;
2）质量要轻，如果过高的材料面密度使飞艇的净浮力极大的丧失，难以升到平流层高度;
3）耐环境（耐候性）性能要好，环境因素包括高低温、湿度、超强紫外线辐射、耐臭氧等;
4）阻氦气渗漏性能强，不论平流层飞艇采用氢气或氦气为浮升气体，都需长期工作，阻氦气渗漏性能显得十分非常重要、由于氢气分子比氦气分子更小，采用氢气为浮升气体时对材料阻渗漏性能要求会更高，
5）其它性能，如抗皱折、为保持飞艇外型所需的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补性能都应当优良。
3.2 飞艇膜材主结构纤维的编织方法
按编织主结构纤维编织方法分的织物有：稀纱编织平纹织物、密纱编织平纹织物、平置织物。
（1）平纹织物
平织法是经线被拉紧，纬线在经线中上下交叉编织，经纬线为直角，经纬线较稀时，呈为网膜，粘性强，撕裂强度高，抗拉强度低，网格内的涂层易受到损害。
（2）密纱编织平纹织物
经纬线较密，撕裂强度低，纤维抗拉强度高，织物可用液体涂层剂直接进行涂层处理，由于编织密度高，编织完的纤维呈三角形，用的涂层材料多，织物厚度近似于三层纤维厚度。
（3）平置织物
平置织物的经纬线相互呈简单的正交平置，抗撕性高，并且撕裂与拉伸、机械与化学粘接性都相当，经纬向拉伸变形小，二向纤维相互作用弱，纤维厚度近似于二层。
目前飞艇艇膜织物常采用编织方法有平织或Panama织法，早期用双层织物，一层平织，一层斜织。Panama方法是指一次编织多根纤维，非单根纤维的编织方式。如12xl2Panama编织表示在1cm范围内有12根经向纱线和12纬向纱线。2—2、3—3织法分别表示一次用二根或三根进行编织。因为一次编织多根纱线比平织法单根纤维编织的膜材力学性能要好。值得注意的是12xl2Panama编织密度高并不表示比9x9Panama膜材强度高。因此，只有综合考虑纤维纺纱线的编织方法与纱线的纤度的强度，才能反映膜材的强度。据报道高空飞艇基布常采用Panama织法13x13或15x15。
3.3 膜材主结构纤维的涂层前工艺
由于纤维编织工艺不同，在载荷作用下，往往纬向纤维具有不同的行为特性。近似直线的经向纤维仅作伸展变形，而波浪卷曲的纬向纤维却被拉平，该拉力使经向纤维产生小量的弯矩。这种几何变形将导致膜纤维在初始载荷下出现正交异性。为克服此缺点，严格控制笔直纤维的数量。宜在涂层之前对双向纤维进行特定的预张拉。使双向纤维彼此均匀地呈波浪卷曲编织，两向纤维形状相近，卷曲度降低，纤维基布厚度减小。进而使纤维顶部涂层厚度增加，经纬向力学特性接近。这样艇膜纤维卷曲度低，飞艇的几何尺寸稳定性好，蠕变减小，使用寿命就能延长。
3.4 飞艇气囊膜片的连接
飞艇外气囊膜片连接，一般有对接（平接）、搭接与错接，飞艇外气囊膜片连接节点虽然可采用搭接，但大型飞艇多采用对接拼法，局部拼接处采用错接。对接采用专用对接膜带和胶合剂，并用高频融接，两片间隙约lmm，外对接带的宽度为60—80mm，内对接带的宽度为40—50mm。背贴对接帶基布纤维与结构膜一致，纤维主向与带长边呈土45o，单面有面层涂层。节点渗透性极低，气囊膜受力均匀，节点强度高，一般节点强度要应大于膜材强度。有单位建议艇膜的拼接采用缝合方法，然后对针眼进行密封处理，这种连接方法国外虽尚未使用，但值得研究。
4 结束语
平流层飞艇的发展对艇膜材料的性能要求大大地提高了一步。其实，目前所提出的材料面密度、抗老化、阻氦性能指标仅是性能的一部分，相随的其它性能，如成品的经纬向强度、抗辐射、抗撕性、层间粘合性、抗皱折、修补术、热物理性能、幅宽及工艺性都会涉及飞艇的研制，平流层飞艇艇膜材料需要研究的问题也很多。
参考文献
[1]马渝茳译.高性能纤维[M].北京：中国纺织出版社，2004.
[2]陈务军.膜结构工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[3]刘玉伏，龚荣兴.美军浮空器的发展[J].国防科技，2007
作者简介：
李向林（1984.09—），高级工，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究。