CN101254753A - 一种太阳能无人飞机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能无人飞机。为了克服飞翼式布局太阳能无人飞机飞行控制比较困难和稳定较差的问题,本发明采用大展弦比上单翼、V型尾翼以及机翼(4)外段有翼尖小翼(5)的布局型式,将机翼(4)通过翼台(3)与机身(7)相连,在V型尾翼(8)上布置操纵舵面(9),以实现飞机的俯仰和偏航控制。本发明结合柔性薄膜太阳能电池具有高能量转换效率的特点,在机翼(4)上铺设柔性薄膜太阳能电池(6)。电机和螺旋桨推进系统(1)采用拉进式,机身(7)前部布置有设备舱(2)。本发明提高了飞机的升阻比,增加了留空时间,有效的改善了飞机的横航向和纵向稳定性和操纵性,缓解了飞翼式布局稳定性和操纵性较差的问题。

Description

一种太阳能无人飞机(一) 技术领域 本发明涉及一种太阳能无人飞机。(二) 背景技术无人飞机在军事、民用方面具有十分广阔的应用前景。在军事方面,无人飞机的 主要军事用途有空中侦察、情报监视、导弹攻击、充当诱饵、目标跟踪、电子战及战 场损伤评估等。在民用方面,无人飞机可以用于通讯中继、灾情监视、交通监控、边 境巡逻、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象监测、森林防火监测等。正是由 于无人飞机在军事和民用方面的极其广阔的应用前景和使用价值,得到了世界上许多 研究者的极大关注,成为国际上的研究热点。传统的以燃油作为能源的无人飞机,由于要携带大量的燃油,使得飞机自重增加, 携带有效任务载荷的能力减小。以目前世界最大的无人飞机"全球鹰"为例,磁多也只能携带900公斤的任务载荷。同时燃料燃烧产生的废气还存在对大气臭氧层的破坏 和环境污染问题。以电池为能源虽没有环境污染问题,但是电池的能量密度比燃油小 的多,这样同样的飞行时间要求携带的电池重量更大,携带有效任务载荷的能力更小。 同时,燃油或电池作为能源的无人飞机还存在飞行时间短等问题。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源,在理论上使用太阳能作为能源共给可 以实现飞机的完全不着陆飞行,同时不存在环境污染问题。随着太阳能电池研制水平 的提高,太阳能电池的能量转化效率有了很大提高,使得利用太阳能作为能源的太阳 能无人飞机成为可能。目前,包括美国、英国和意大利在内的许多国家都致力于开发 利用太阳能作为能源供给的无人飞机。为了增大太阳能电池的铺设面积,(S机基本1: 都采用飞翼式布局,如"太阳神"。这种布局稳定性较差,飞行控制比较困难。 (三)发明内容为了克服飞翼式布局太阳能无人飞机飞行控制比较困难和稳定较差的问题,本发 明提出了一种太阳能无人飞机。本发明包括机翼、尾翼、机身和设备舱,以薄膜太阳能电池作为能源,其特征在 于:本发明采用大展弦比上单翼布局,机翼翼尖处有上反的小翼,形成了翼尖小翼, 根据横向稳定性的配平需要,翼尖小翼的上反角取IO。〜30° 。根据对飞机设计升阻 比和所需太阳能电池片铺设面积的要求确定机翼的翼展与弦长,,为减小结构重量,乖 尾采用V型尾翼的形式,根据操纵性和稳定性的配平关系,结合尾容量系数,确定v 型尾翼的两片尾翼夹角为90°〜120。。薄膜太阳能电池片一片挨 -片按并联方式组成 电池组,覆盖于机翼上表面蒙皮上。本发明的机翼通过翼台与机身连接,在机翼主梁和后梁的翼根处有用f与翼台连 接的插孔。翼台的上部弦向截面与主翼翼型相同,对应机翼主梁与后梁位置分别设有 连接棒,下部分为中空结构,内有层板骨架;底面与机身的碳管粘接。本发明采用大展弦比上单翼布局形式,提高了飞机的升阻比(亦即减小了飞机所 需的推重比),这样既减小了对太阳能电池输出功率的需求,又提^了飞机的盘旋性能, 从而增加了留空时间。同时,采用机翼外段翼尖小翼和V型尾翼改善了 6机的横航向 和纵向稳定性和操纵性,缓解了飞翼式布局的存在的稳定性和操纵性较差的问题。(四) 附图说明附图1是太阳能无人飞机的结构示意图; 附图2是太阳能无人飞机的三视图。 其中:1-推进系统 2-设备舱 3-翼台 4--机翼 5-翼尖小翼6-薄膜太阳能电池片 7-机身 8-V型尾翼 9-操纵舵面(五) 具体实施方式 实施例一:本实施例是一个以太阳能为动力的无人飞机,该机采用大展弦比上单翼,V型尾 翼布局。机翼平直段为矩形翼,展长300cm,弦长30cm;外段小翼为直角梯形翼,上 反30。,根弦长30cm,后掠15。,尖稍比0.67;机身长186cm。本实施例包括机翼4、外段小翼5、 V型尾翼8、薄膜太阳能电池6、机身7和设 备舱2。机翼平直段部分蒙皮上表面贴有40块长25cm,宽7cm的柔性薄膜太阳能电池片。机翼4和V型尾翼8的主体结构为轻木和航空层板,蒙皮为热缩膜。机身7用碳 纤维复合材料管材制成。设备舱2用轻木制成,用于装载控制设备。 实施中:第一步,制作飞机。机翼4主梁使用小锥度的碳纤维管,并利用该碳纤维管在主梁根部形成了与翼台3相连接的插孔。后梁使用轻木,由上下缘条和腹板构建而成,在后梁根部粘接有-小段碳纤维管,形成了与翼台3相配合的连接插孔。翼肋使用木质材料,根肋为/S板 肋,中间肋为轻木。机翼前缘与后缘均有轻木蒙板,用于前缘保形和保证后缘强度。 机翼蒙皮为轻质航空热縮膜。外段小翼5翼梁为桐木材料,翼肋为轻木;小翼梁根部有用子与机翼主梁连接的结构,与机翼主梁连接的结构部分外贴薄层板以提高结构强度,小翼梁的连接结构摘 入机翼主梁的碳管中用树脂胶粘接固定。根据操纵性和稳定性的配平关系,结合尾容量系数,确定V型尾翼5的两片尾翼 夹角为90°,前缘后掠5.7。,后缘平直,尖弦20cm,根弓玄24cm,展向长为40cm。 其制作方法与外段小翼5制作方法相同,后缘设有操纵舵面9,下部与尾管粘接。翼台3为机翼4与机身7的连接结构,上与机翼4插接,下^机身7粘接。翼台 3的上部弦向截面与主翼翼型相同,对应机翼主梁与后梁位置分别设有与翼台相连接 用的一根铝棒和一根碳管,其中铝棒插入机翼主梁碳管中,碳管插入机翼后梁碳管中: 翼台3下部分为中空结构,内有层板骨架,空间用于装载任务载荷;底面与机身的碳 管粘接。机身7由不同外径、不同厚度的碳管接成。设备舱用于装载机载控制设备,用航 空层板加工而成。第二步,装配太阳能电池将薄膜太阳能电池6的电极塑封皮剥开,并将电池边缘多余塑料裁掉以减轻重量;将各片电池电极位置对好,用胶带一片挨一片将其连成整体,然后按并联方式将各片电池焊接成电池组;将电池组用双面胶粘接于左右两机翼的上表面热縮蒙皮上,边缘 用胶带纸粘贴;在电池组两极引出导线。第三步,全机装配首先将翼台3与机身7粘接,导线在机身管内布好并在接头的地方用胶带纸缠好, 以提高可靠性;把V型尾翼5粘接于后机身尾管上,两尾翼夹角要保证设计要求;后 机身尾管与前机身管插接并用胶带纸封好,确保两尾翼夹角平分线与机翼平面垂良; 把铺设好薄膜太阳能电池6的两段机翼4与翼台3插接,飞行前可用胶带纸粘接弦向 接缝,确保机翼无展向位移;电机和螺旋桨推进系统l插入前机身管内粘接。最后, 将装载机载控制设备的设备舱2安装在距机身7前端10cm的机身碳管.l:面。实施例二-本实施例是一个以太阳能为动力的无人飞机,该机采用大展弦比上单翼,V型尾 翼布局。机翼平直段为矩形翼,展长300cm,弦长30cm;外段小翼为直角梯形翼,上 反10。,根弦长30cm,后掠20°,尖稍比0.5;机身长186cm。本实施例包括机翼4、外段小翼5、 V型尾翼8、薄膜太阳能电池6、机身7和设 备舱2。机翼平直段部分蒙皮上表面贴有40块长25cm,宽7cm的柔性薄膜太阳能电池 片。机翼4和V型尾翼8的主体结构为轻木和航空层板,蒙皮为热縮膜。机身7用碳 纤维复合材料管材制成。设备舱2用轻木制成,用于装载控制设备。实施中:第一步,制作飞机。机翼4主梁使用小锥度的碳纤维管,并利用该碳纤维管在主梁根部形成了与翼台 3相连接的插孔。后梁使用轻木,由上下缘条和腹板构建而成,在后梁根部粘接有• 小段碳纤维管,形成了与翼台3相配合的连接插孔。翼肋使用木质材料,根肋为层板 肋,中间肋为轻木。机翼前缘与后缘均有轻木蒙板,用于前缘保形和保证后缘强度。 机翼蒙皮为轻质航空热縮膜。外段小翼5翼梁为桐木材料,翼肋为轻木;小翼梁根部有用f与机翼主梁连接的结构,与机翼主梁连接的结构部分外贴薄层板以提高结构强度,小翼梁的连接结构插 入机翼主梁的碳管中用树脂胶粘接固定。根据操纵性和稳定性的配平关系,结合尾容量系数,确定V型尾翼5的两片尾翼 夹角为110。,前缘后掠7.1。,后缘平直,尖弦25cm,根弦30cm,展向长为40cm。其制作方法与外段小翼5制作方法相同,后缘设有操作舵面9, K部与尾管粘接。翼台3为机翼4与机身7的连接结构,上与机翼4插接,下与机身7粘接。翼台 3的上部弦向截面与主翼翼型相同,对应机翼主梁与后梁位置分别设有与翼台相连接用的一根铝棒和一根碳管,其中铝棒插入机翼主梁碳管中,碳管插入机翼后梁碳管中: 翼台3下部分为中空结构,内有层板骨架,空间用于装载任务载荷;底面与机身的碳管粘接。机身7由不同外径、不同厚度的碳管接成。设备舱用于装载机载控制设备,用航空层板加工而成。第二步,装配太阳能电池将薄膜太阳能电池6的电极塑封皮剥开,并将电池边缘多余塑料裁掉以减轻重量:将各片电池电极位置对好,用胶带一片挨一片将其连成整体,然后按并联方式将各片电池焊接成电池组;将电池组用双面胶粘接于左右两机翼的上表面热縮蒙皮上,边缘 用胶带纸粘贴;在电池组两极引出导线。 第三步,全机装配首先将翼台3与机身7粘接,导线在机身管内布好并在接头的地方用胶带纸缠好, 以提高可靠性;把V型尾翼5粘接于后机身尾管上,两尾翼夹角要保证设计要求;后 机身尾管与前机身管插接并用胶带纸封好,确保两尾翼夹角平分线与机翼平面垂宵; 把铺设好薄膜太阳能电池6的两段机翼4与翼台3插接,飞行前可用胶带纸粘接弦向 接缝,确保机翼无展向位移;电机和螺旋桨推进系统l插入前机身管内粘接。最后, 将装载机载控制设备的设备舱2安装在距机身7前端10cm的机身碳管匕面。实施例三:本实施例是一个以太阳能为动力的无人飞机,该机采用大展弦比上单翼,V型尾 翼布局。机翼平直段为矩形翼,展长300cm,弦长30cm;外段小翼为直角梯形翼,J: 反20。,根弦长30cm,后掠10°,尖稍比O. 5;机身长186cm。本实施例包括机翼4、外段小翼5、 V型尾翼8、薄膜太阳能电池6、机身7和设 备舱2。机翼平直段部分蒙皮上表面贴有40块长25cm,宽7cm的柔性薄膜太阳能电池 片。机翼4和V型尾翼8的主体结构为轻木和航空层板,蒙皮为热缩膜。机身7川碳纤维复合材料管材制成。设备舱2用轻木制成,用于装载控制设备。 实施中:第一步,制作飞机。机翼4主梁使用小锥度的碳纤维管,并利用该碳纤维管在主梁根部形成了与翼台 3相连接的插孔。后梁使用轻木,由上下缘条和腹板构建而成,在后梁根部粘接有-小段碳纤维管,形成了与翼台3相配合的连接插孔。翼肋使用木质材料,根肋为层板肋,中间肋为轻木。机翼前缘与后缘均有轻木蒙板,用于前缘保形和保证后缘强度。 机翼蒙皮为轻质航空热縮膜。外段小翼5翼梁为桐木材料,翼肋为轻木;小翼梁根部有用于与机翼主梁连接的 结构,与机翼主梁连接的结构部分外贴薄层板以提高结构强度,小翼梁的连接结构插 入机翼主梁的碳管中用树脂胶粘接固定。根据操纵性和稳定性的配平关系,结合尾容量系数,确定V型尾翼5的两片尾翼 夹角为120°,前缘后掠7.4。,后缘平直,尖弦24cm,根弦30cm,展向长为46cm。 其制作方法与外段小翼5制作方法相同,后缘设有操作舵面9,下部与尾管粘接。翼台3为机翼4与机身7的连接结构,上与机翼4插接,下与机身7粘接。翼台 3的上部弦向截面与主翼翼型相同,对应机翼主梁与后梁位置分别设有与翼台相连接 用的一根铝棒和一根碳管,其中铝棒插入机翼主梁碳管中,碳管插入机翼后梁碳管中; 翼台3下部分为中空结构,内有层板骨架,空间用于装载任务载荷;底面与机身的碳 管粘接。机身7由不同外径、不同厚度的碳管接成。设备舱用于装载机载控制设备,用航 空层板加工而成。第二步,装配太阳能电池将薄膜太阳能电池6的电极塑封皮剥开,并将电池边缘多余塑料裁掉以减轻重量; 将各片电池电极位置对好,用胶带一片挨一片将其连成整体,然后按并联方式将各片 电池焊接成电池组;将电池组用双面胶粘接于左右两机翼的上表面热缩蒙皮上,边缘 用胶带纸粘贴;在电池组两极引出导线。第三步,全机装配首先将翼台3与机身7粘接,导线在机身管内布好并在接头的地方用胶带纸缠好, 以提高可靠性;把V型尾翼5粘接于后机身尾管上,两尾翼夹角要保证设计要求:后 机身尾管与前机身管插接并用胶带纸封好,确保两尾翼夹角平分线与机翼平面垂直; 把铺设好薄膜太阳能电池6的两段机翼4与翼台3插接,飞行前可用胶带纸粘接弦向 接缝,确保机翼无展向位移;电机和螺旋桨推进系统l插入前机身管内粘接。最后, 将装载机载控制设备的设备舱2安装在距机身7前端10cm的机身碳管上面。

Claims (3)

1. 一种太阳能无人飞机,包括机翼(4)、尾翼、机身(7)和设备舱,以薄膜太阳能电池做为作为能源,其特征在于:采用大展弦比上单翼布局,翼尖处有上反角为10°~30°的翼尖小翼(5),并且机翼(4)通过翼台(3)与机身(7)连接;垂尾为V型尾翼(8),两片尾翼的夹角为90°~120°;若干片薄膜太阳能电池片(6)按并联方式组成电池组,排布在机翼(4)上表面。
2. 如权利要求l所述太阳能无人飞机,其特征在于机翼(4)的主梁和后梁的翼根 处有用于与翼台(3)连接的插孔。
3. 如权利要求l所述太阳能无人飞机,其特征在于翼台(3)的上部弦向截面与主 翼翼型相同,对应机翼主梁与后梁位置分别设有连接棒,下部分为中空结构,内有骨 架,底面与机身(7)的碳管粘接。
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Colozza et al. GaAs/Ge Solar Powered Aircraft

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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)