CN102673769A - 光伏浮力双翼机、光伏浮力飞碟、光伏浮力无人机 - Google Patents

Abstract

一种光伏浮力飞行器系列，采取多机融合的技术方案解决诸多制约太阳能飞机商业化应用的技术难题，其要点是：云朵形、碟形的飞翼结构，可大面积覆盖薄膜电池，增加发电量；体内填充圆柱形氦气气胎，可提高承载力和安全系数；去掉起落架、尾翼等，可降低自重，以携带更多动力电池；4台倾转式电动螺旋桨对称安装在双翼前端或碟翼边缘，可实现垂直起降、悬停、前飞、转向和姿态控制。本发明由翼身系统、电源系统、驱动系统、控制系统和乘客舱构成，适用众多行业的空中需求，其中最具商业化前景的是名胜景区超低空观光、大城市3.8万米超高空观光和海湾海峡城际间超低空客运项目。在航空科技方面具备7项打破或创造世界纪录的潜力。

Description

光伏浮力双翼机、光伏浮力飞碟、光伏浮力无人机

技术领域  本发明涉及一种航空新能源飞行器系列，尤其是无燃料、垂直起降飞行器系列。 

背景技术  目前国内外的飞行器虽有长足发展，性能越来越先进，但在使用过程中对环境的污染和能源的消耗是显而易见的。随着社会进步和环保意识的增强，人们对航空技术提出了更高的要求，希望飞行器没有尾气、没有噪音。为实现碳排放为零的绿色飞行目标，世界许多国家都在研发太阳能飞机，著名的有美国的“太阳神号”、瑞士的“太阳驱动号”。尽管这些飞机在高度、航时和航程上已取得重大突破，但离实用化仍有很大差距，其根本问题在于翼展过宽、机身过窄、抗风险能力差；由于摄取阳光的表面积不足和携带的动力电池数量少，电源系统无法提供更多能量，限制了巡航速度和有效载荷，造成太阳能飞机“无商业化前景”。 

发明内容  为解决太阳能飞机起降、功率、载荷、速度和安全性方面存在的技术难题，本发明提供一种多机融合的技术方案：将太阳能飞机、氦气飞艇、直升机、螺旋桨飞机的特长融于一体，设计成光伏浮力飞行器系列，使其具有太阳能飞机的发电、储电、电驱功能；具有氦气飞艇的浮力、承载力；具有直升机的灵活性、适应性；具有螺旋桨飞机的速度、舒适性。在此基础上，针对阳光照射能量分布密度小、阴晴昼夜差异大的特点，大幅增加光伏发电面积和动力电池数量，同时对飞机结构进行精简整合，降低自重，最大限度地提高承载能力和安全系数。 

本发明由翼身系统、电源系统、驱动系统、控制系统和乘客舱构成： 

翼身系统包括云朵形、碟形融合式翼身、双翼机连桥、碟翼空洞、圆柱形氦气气胎、微型气门芯、氦气、导流式双气囊底座、气动导流槽、骨架、蒙皮及固定装置。飞行器气动外形结构由刚性骨架保持， 底部和四周边缘用轻金属材料蒙皮。体内由直径1.5米或1.8米，高度不等的圆柱形氦气气胎按蜂窝状填充，微型气门芯朝上。背部在安装抗鼓胀的隔热布后，用高强度复合材料蒙皮，粘贴转换率20％以上的薄膜电池。导流式双气囊底座用刚性U形骨架与翼身骨架连接，囊内用直径1.5米，高度不等的圆柱形氦气气胎按纵列填充，微型气门芯朝下。底座离地0.3米以上用轻金属材料蒙皮，0.3米以下及着地部位用高韧性防水纤维材料蒙皮。气胎充气调压可通过机背和着地部位每个预留的气门芯凹孔，用高压氦气装置充至标准气压。整个飞行器外表除薄膜电池、有机玻璃、双翼机连桥外均涂白色，双翼机连桥涂天蓝色。 

电源系统包括薄膜电池、飞轮电池组、高能镍碳超级电容器组、电源管理系统、逆变器、电源舱、切换式外接电源插座及电缆连接线。薄膜电池将阳光转化为电能储存到高能镍碳超级电容器组，当驱动系统需要动力时，电源管理系统通过逆变器向其输电。航行中的动力供电以飞轮电池组为主，高能镍碳超级电容器组在向飞轮电池组补充电源的同时，还承担其他器件、仪表、灯具的供电。双翼机4个、飞碟2个电源舱分别设在底座外侧或内侧中后段，以平衡载荷，距地0.9米，舱底为氦气气胎缓冲垫，舱体用非金属材料与骨架连接，飞轮电池组、高能镍碳超级电容器组按各半比例安装。 

飞行器垂直起飞要比滑跑起飞消耗更多能量，为此可在起飞处设置电缆转盘，通过电缆和设在机腹2个电源舱正中间的切换式外接电源插座向驱动系统输电，当垂直升空达到预定高度转入前飞状态后，氦气球式电缆插头自行脱离降落，电源管理系统随即切换供电。 

驱动系统包括倾转式电动螺旋桨、变频调速控制器、电动倾转齿轮、电动倾转控制器及固定支架。双翼前端或碟翼边缘对称安装4台倾转式电动螺旋桨。螺旋桨朝上的止点为90度，倾转朝前的止点为0度。每台电动机用2个轻合金固定支架安装在翼身骨架上。双翼机支架前伸2米，高出翼面0.6米；飞碟支架前伸2米，高出翼面1.6米。碟翼空洞下圆上椭、洞口凹陷，以利于螺旋桨倾转。电动机外壳用轻 合金铸造，其与螺旋桨重力均衡段的左短轴与左固定支架轴承孔对接，右侧为环式大齿轮，末端短轴与右固定支架里的轴承孔对接，同时大齿轮与右固定支架里的电动倾转小齿轮啮合。电动倾转控制器可控制每台螺旋桨的朝向和倾转角度，变频调速控制器可控制每台螺旋桨正旋、反旋和旋速。 

控制系统包括驾驶舱、挡风有机玻璃、增压供氧空调控制器、滑动式有机玻璃天窗控制器、一体化航电系统、智能控制系统、高清触摸屏、人工操作系统及驾驶椅。一体化航电系统涵盖目前国内外先进的导航、通讯、仪器仪表、气象监测、安全监控等航空电子装备。智能控制系统的计算机软硬件及操纵系统均按国际航空标准配置，终端为高清触摸屏。舱内的变频调速控制器、电动倾转控制器、电源管理系统、增压供氧空调控制器、滑动式有机玻璃天窗控制器、音响视频控制器及一体化航电系统与智能控制系统链接，通过程序控制可实现整个运行过程的自动化和触摸化操作。驾驶以自动化为主，人工操作为辅。驾驶舱设在飞行器前端中间，与乘客观光舱左右相邻，飞行员从小电梯间隔板滑动式舱门进入。驾驶椅为滑动式充气椅。 

乘客舱包括挡风有机玻璃窗、滑动式有机玻璃天窗、升降式有机玻璃舷窗、小电梯间、空调窗、滑动式充气双人沙发椅和音响视频头。乘客舱根据不同用途设计：一、乘客观光舱。为便于乘客无遮挡观光，将观光舱设在前端驾驶舱的两侧，各长1.6米、宽6.6米，最高处2米。驾驶舱后端设有小电梯间，长0.9米，宽1.2米，高2米，其底板为磁吸弹力门，当机场电梯车的梯架对准梯口往上抬升时，磁吸弹力门在推力作用下开启，乘客2人一组乘电梯垂直升至小电梯间，然后进入左右观光舱。当乘客和飞行员登机或下机后，电梯车收缩梯架，退出梯口，磁吸弹力门在弹簧的作用下自动闭合。用于低空观光和客运项目不安装增压供氧空调器，超高空观光使用的增压供氧空调器设在驾驶舱前端，用通风管与左右乘客观光舱的空调窗相连，当航行高度达到3900米时，乘客观光舱滑动式有机玻璃天窗关闭；当舱内温度低于10度或氧气缺乏时，增压供氧空调器为乘客观光舱和驾驶舱 增压供热或供氧。2个音响视频头分别设在左右观光舱中段过道顶部。二、底座客舱。双翼机乘客舱设在2个底座内侧或外侧前段，离地面高0.3米，舱长22米，宽1.3米，高2米，中间设滑动门，左右两侧呈一字排列16条滑动式充气双人沙发椅，面向为升降式有机玻璃舷窗，音响、旋转球体视频头设在门内顶端中间，可观察两侧情况。 

无人机采用飞碟或双翼机外形和系统结构，去掉载人关联设计，增设遥控配套装置。 

本发明的有益效果是解决了诸多制约太阳能飞机商业化应用的技术难题，其优点是：云朵形、碟形的飞翼结构可大面积覆盖薄膜电池，以增加发电量；体内填充圆柱形氦气气胎，以提高承载力；去掉起落架、方向舵、升降舵、副翼、襟翼和尾翼，可降低自重，以携带更多动力电池；4台倾转式电动螺旋桨对称安装在双翼前端或碟翼边缘，可实现垂直起降、悬停、前飞、转向和姿态控制，巡航速度、高度可在0-300公里/小时，30-3.9万米之间调节；由众多互不通气的氦气气胎构成的机体，既轻于空气又重于空气，可降低气胎泄漏、动力故障、撞机坠机造成人员伤亡事故的概率，大大提高安全系数。同时，在超高空大气压强低的条件下，圆柱形橡胶胎体之间的空隙可抵消气胎鼓胀对机体的影响，无需排压。 

本发明应用广泛，涵盖无人机、飞艇、直升机、螺旋桨飞机的基本功能，涉及众多行业的空中需求。与现有太阳能飞机相比，其技术效果显著：飞得更高、更快、更远、留空更长、载荷更大、航行更安全。根据本发明的技术方案和系统结构，可改装成不同外形、不同用途、不同尺寸的飞行器。在商业化应用方面，最具前景的是名胜景区超低空观光旅游、大城市3.8万米超高空观光旅游和海湾海峡城际间超低空客运项目。这些项目除经济、环保、安全因素外，主要是可以满足人们梦寐以求的到天空遨翔的愿望。在国防方面用于超高空长航时预警巡逻、传感监控、通讯中继、电子对抗；国内重大事件高空悬停侦察、指挥，具有无可比拟的优势。在航空科技方面，本发明具备7项打破或创造世界纪录的潜力：一是飞碟载人航行，可打破无燃料 飞行器飞行高度最高的世界纪录；二是飞碟载人航行，可打破无燃料飞行器超高空飞行速度最快的世界纪录；三是无人机超高空巡航，可打破无燃料飞行器留空时间最长的世界纪录；四是无人机超高空悬停，可创造飞行器悬停时间最长的世界纪录；五是双翼机载人(3名试飞员)航行，可创造无燃料飞行器环球不落飞行一圈的世界纪录；六是双翼机载人载货航行，可打破无燃料飞行器载荷量最大的世界纪录；七是双翼机载人载货航运，可打破飞行器运输成本最低的世界纪录。 

附图说明  下面结合附图和模拟实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明模拟实施例的光伏浮力飞碟三视图 

图中 1、驾驶舱 2、乘客观光舱 3、滑动式有机玻璃天窗 4、导流式双气囊底座 5、倾转式电动螺旋桨 6、碟形融合式翼身 7、气动导流槽 8、切换式外接电源插座 9、薄膜电池 10、椭圆凹陷 11、碟翼空洞 

图2是本发明光伏浮力双翼机三视图。 

图中 1、客舱 2、滑动式客舱门 3、升降式有机玻璃舷窗4、双翼机连桥 5、电源舱 

具体实施方式  在图1中，飞碟锚定在深圳市南山区某停机坪。此次是第三次载人综合试验飞行。地面输电电缆与切换式外接电源插座8相连，电源舱内的动力电池已完成充电。8点16分，一名试飞员乘电梯进入驾驶舱1进行各项例行准备、检查，开启乘客观光舱2滑动式有机玻璃天窗3。8点18分，20名特约乘客经安检后乘电梯进入乘客观光舱2，电梯车撤离。8点20分，气象条件良好，地面飞控中心下达起飞指令，试飞员启动既定任务程序，飞碟进入自动化驾驶状态。机上起飞指示灯鸣闪，地勤人员迅速撤走4个固定支架下的锚定装置，30秒钟后，4台倾转式电动螺旋桨5朝上旋转，气流从碟翼空洞11排出，飞碟缓慢垂直升空。当达到220米高度时，螺旋桨转入前飞状态，地面输电电缆插头脱离降落，电源管理系统随即切换供电，飞碟微调上升角度以20度斜坡往西南方向爬升。乘客站在敞开的观光舱 里俯瞰大地，感受飞翔和升高的过程。当飞行高度达到海拔3900米时，试飞员通过音响提示乘客入座，滑动式有机玻璃天窗3缓慢关闭，增压供氧空调器开始工作。到达平流层后，大气压强和空气阻力降低，飞碟浮力增大，4台螺旋桨朝前倾转至0度，桨叶在椭圆凹陷10上方旋转，上升速度加快。9点30分，飞碟到达海拔3.9万米高空，打破了无燃料飞行器载人航行飞行高度最高的世界纪录。飞碟减速平飞，让乘客拍摄窗外下方蓝色的星球，观赏大气层边缘奇异景色。 

爬升至目标高度，飞碟各系统运行正常，薄膜电池9发电接近峰值，动力电池耗能70％，碟形融合式翼身6抗鼓胀状况良好。10点整，左侧2台螺旋桨旋转加快，飞碟大转弯调头返航。下降至海拔1.2万米高空时，飞碟全速平飞15分钟，平均时速达到320公里，打破了无燃料飞行器载人航行飞行速度最快的世界纪录。高速试飞检验了推力、外表、骨架、气动导流槽7及智能姿态控制效果。下降至海拔3900米时，滑动式有机玻璃天窗3开启，增压供氧空调器关闭。10点 

分，飞碟距珠海市10公里时减速滑行，高度降至100米时，4台螺旋桨朝上旋转，飞碟以15公里时速向下滑行，降落在横琴岛附近海面，导流式双气囊底座4吃水深度在0.5米以下。游弋10分钟后，飞碟加速滑跑起飞，在距地表80米高度以20公里时速沿深圳市上空盘旋一圈，供乘客超低空观赏地面风光。11点50分到达停机坪上空，前2台螺旋桨调整角度对准停机位置后，4台螺旋桨朝上反旋，使飞碟垂直下降，当离地10米时，4台螺旋桨正旋，飞碟缓慢地降落地面。地勤人员将飞碟锚定后，电梯车驶入飞碟电梯口位置，供乘客和试飞员下机。整个试飞历时3小时36分，各项测试均达设计要求，获取或验证了有效载荷、航速、航时、航程、高度与薄膜电池9发电量、电动机功率、螺旋桨直径、动力电池组数、气胎标准压力等16项匹配参数的最佳值。 

Claims (7)

1.一种光伏浮力飞行器系列，翼身融合无起落架、方向舵、升降舵、副翼、襟翼和尾翼，外表大面积覆盖薄膜电池，体内填充圆柱形氦气气胎，其特征是：4台倾转式电动螺旋桨对称安装在双翼前端或碟翼边缘。

2.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：飞碟螺旋桨固定位置设有碟翼空洞。

3.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：2个云朵形飞行器纵列，中间为双翼机连桥。

4.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：导流式双气囊底座，中间为气动导流槽，双气囊内侧或外侧可设客舱、货舱和电源舱。

5.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：机腹2个电源舱正中间设有切换式外接电源插座。

6.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：驾驶舱、乘客观光舱设在飞行器前端，驾驶舱位于正中间，其后端设有小电梯间。

7.根据权利要求1所述的光伏浮力飞行器系列，其特征是：无人机采用飞碟或双翼机外形和系统结构，去掉载人设计，增设遥控装置。

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