设计由来

　　2008年汶川大地震是一场实实在在的悲剧，地震的预测这么困难，我们为何不寻找其它途径使生活更安全呢？为此我想到了这个“空中城市”。

　　设计特点

　　1.气囊

　　它主要由一个很大的气囊，内充惰性气体氦气，提供浮力，把主体提升起来，使之脱离地面。气囊中的气是长期固定储存的，这就保证了整个实体本身有一部分升力，它的临时起降不会有太大的速度，太大过载，这样就比较安全。氦气囊里可以装雷达天线。

　　2.太阳能电池板

　　大量用了太阳能这种环保能源，为主体里面的生活提供能量。电池板选用功率大，重量轻的，以降低重量负担。球体表面除过门窗位置都贴上太阳能电池板，以最大的面积来吸收太阳能。而且悬空的一圈太阳能电池板，可以在一天的任何时候都采集到太阳光，这样的设计是为了弥补球体背光面采集阳光较弱的缺点，它向里有个斜度，所以球体的背光面上面的电池板永远正对着太阳，即可以采集大量太阳能，也可以对背光面反射阳光，照明。这一圈的电池板通过四个刚性支柱连接到主球体上，刚性支柱有很好的强度和刚度性能，内部布置了电线和传热装置，把收集到的能量运送到主球体上。主体顶部设计一个天窗，采光使用。主体的内壁上布置了电线和传热导管，实现能量的流通。

　　3.倾转旋翼

　　主体四周有4~8个倾转旋翼，可以实现“空中城市”朝各个方向的飞行。当倾转旋翼转轴竖直时，旋翼可以提供向上的拉力，所以主体即使停在地面上，也可以垂直起飞。旋翼转轴可以360度旋转。当转轴转向水平时，可以提供水平方向的拉力或推力，实现飞行，通过控制旋翼的倾转方向和转速大小实现飞行方向的选择。合理设计浆叶，使其有适合的拉力，和过载。

　　4.设计合理的生活区与超大户外活动面积

　　主体内部分为好几层。以四米高为一层，供人们的生活工作使用。球体的下半球在气囊的包围中，为了使重心比较低，这下半球的大部分用来储物、储水、和储存蓄电池，其中所存电量供夜晚，和飞行时使用，如果地方比较多还可以做一个地下层，供人生活。太阳能蓄电池所存电量也给动力系统旋翼提供能量。

　　另外下部氦气囊是球台形状，通过计算，对于一般工作生活用，全轻质材料的“空中城市”，氦气囊的大圆直径是主球体直径的三倍多，就是说气囊在主球体的外面还有很大一部分空间，而这部分则可作为一个户外活动场所。在边缘部分设置一圈透明护栏，增加安全性。下面的气囊球台内部设计两个空的隧道，可以方便垃圾或物品的运送，也可以作为潜望口。

　　5.稳定的性能

　　为了使巨大的气囊不遮挡采光，本设计把气囊放在了实体的下方，让它来托起整个“空中城市”，但是这个容易造成重心太上，而不稳，容易翻倒的情况。为此设计整个工作生活区在一个球体里，而气囊则包围在球体的下半部分，这样再加上螺旋桨也安装在下半部分，所以可以实现重心落在气囊台大圆面上，或下部气囊内，这样就很稳了。

　　6.轻质材料与“无烟城”

　　生活区上半球体表面的材料是隔热降噪轻质复合材料，电池板贴于其上。主体内部的生活采用全洁净能源，是一个实实在在的“无烟城”。所有设施都采用新型轻质复合材料，以减轻结构重量。气囊的材料用新型复合塑料，其材质很坚韧，既可以实现密封，而且如果真有天外之物落到其上面，那么砸出来的小坑也可以通过材料的自动收缩而自动修复。

　　7.经济、方便、用途广

　　这样的“空中城市”设计简单，制造成本也不会太高，所以很有实现的可能性。可以根据需要制造各种大小型号的，如小号可叫“空中楼阁”，以后可以批量装备各个城市。还可以实现大批量货物运输。两台“空中城市”或“空中楼阁”之间可以互相往来，他在未来人类生活中能起到很大作用。本文设计计算的中号“空中城市”，生活区半径10米，分上下两层，就可以分出来20~30个房间，设计载人22，同时也提供了超大的户外面积，集生活娱乐于一体，维修费用低，适应性强，且防火性强，可经受住各种不利的天气条件的考验，即使在人类还都生活在地面的今天，也可以设计它来实现私人空中游艇、商务行馆、救灾运货、观光旅游等功能。

　　尺寸特性数据的确定

　　标准状态下，20℃，氦气密度是 0.1786kg/m3 ，空气密度是1.225 kg/m3

　　1.重量计算

　　主体是一个球 设其半径为10m，则相当于好几套两层的房子。

　　一般单晶硅太阳能电池板，某种尺寸为1310mm×660mm×40mm, 重9.7kg, 则计算得 11.2kg/m2, 那一圈的电池板外半径和内半径分别为10米和8米，其总重也不过1260kg.记为Wd1=1260kg。上半球体的表面积为628 m2，除过门窗处电池板全覆盖则重量约5000kg,记为Wd2=5000kg。

　　人员重量：半径为10米的圆面314m2, 二层约有264m2 。设人员密度为4人/100m2, 人重75kg/人，计算得出约有22人，总重1650kg. 记为Wr =1650kg。

　　设内部物品及材料总重： 8吨，记为Ww=8000kg。

　　四台螺旋桨：设计重量 4000kg，记为Wj=4000kg。

　　安全系数1.2：

　　总重：Wz=( Wd1+ Wd2+ Wr+ Wb+ Ww+ Wj)×1.2=24000kg

　　2. 浮力计算

　　设下面的气囊形状是一个球台，一个半球体切去一个球冠后的剩余部分。如图：

　　图1 气囊球台剖面图

　　图中阴影部分为氦气填充的地方。

　　此球台设计的h/R=0.75，r为主球体的半径，本文设为10米。

　　则可计算出它的体积V＝0.7690R3-2.0944r3 ，及阴影部分的实体体积。

　　M浮＝密度×排气体积＝排开空气的质量-氦气质量

　　M浮=(ρ空气-ρ氦气)V

　　＝(1.225-0.1786)×（0.7690R3-2.0944r3)

　　＝0.8047R3-2191.58

　　Wz＝M

　　解 得 R＝31.93m=32 m

　　即球台的大圆半径为32m

　　现在就可以求出可以浮起整个装置的氦气囊大圆半径R与主球体半径r之比：

　　R /r＝32/10=3.2

　　3.尺寸参数

　　飞行时速：0~200公里

　　飞行高度：0~3000米

　　过 载：-1~2.5

　　以中号“空中城市”为例：

　　上层生活区球，半径10米

　　下部气囊体积21306立方米

　　俯视直径：64米

　　高：34米

　　艇内面积：第一层314平方米，第二层264平方米

　　正常重量： 20 吨

　　最大重量：24吨

　　设计载人数：22人

　　附注：空中城市特有的卷梯系统

　　卷起时

　　充气后的效果

　　卷梯由新型轻质密封布样材料做成，不用时卷起来，但使用时往里充空气，使其膨胀，变成梯子的形状，可供使用。材料充气后就有了一定的硬度，梯子走起来和普通的木板梯一样平稳。或者内层用气密的布制作，外部统一布置一片一片的硬竹片似东西，它有特殊的形状，充气以后，各个小片在气的挤压下，互相镶嵌在一起，通过结构上的互相钳制，使表面坚硬结构稳定。

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