CN102717887B - 一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇 - Google Patents

Abstract

一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，它是由艇体、太阳能电池、可倾转螺旋桨、充气式机翼、尾翼、起落架、载荷舱、蓄电池和控制系统组成；它们之间的位置连接关系是：太阳能电池覆盖在艇体的上表面，可倾转螺旋桨在艇体上部沿纵轴安装，尾翼固定在艇体尾部，充气式机翼位于艇体中前部的左右两侧，起落架安装在艇体下部，飞行时可收回到艇体内，载荷舱、蓄电池、控制系统都放置在艇体腹部内。本发明是一种体积相对较小、有效载荷大、起降很方便的临近空间飞行器。它在临近空间飞行器领域里有着良好的发展前景。

Description

一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇

技术领域

本发明涉及一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，它采用了飞艇、充气式机翼和可倾转螺旋桨相结合的方案，可以在临近空间飞行和稳定悬停，属于临近空间飞行器领域。

背景技术

临近空间是指距地面20～100公里的空域，由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛关注。平流层飞艇是一种可工作在临近空间的飞行器。平流层飞艇具有长滞空时间（与飞机、导弹相比）和高分辨率（与卫星平台相比）等优点，可以为空中预警、侦察、通信、监视等军事用途提供不可多得的空中载体，因而引起各国广泛关注和研究。

但是，传统的飞艇有以下几个缺点：

传统的飞艇的升空原理主要是在飞艇内部充满比空气更轻的气体形成浮力。然而，临近空间空气密度很小，单纯依靠浮力的飞行器尺寸巨大，而巨大的尺寸会超过材料张力的极限；所以，不仅大尺寸飞艇制造困难，而且气囊材料本身也对其尺寸有很大的约束。

传统的飞艇需要压舱物来调整飞艇的重量，实现飞艇的静平衡。随着燃料的消耗，飞艇的重量会减轻，就需要增加压舱物，飞艇降落时也需要增加压舱物。现在的飞艇普遍利用水的回收来实现，但是水的回收系统会增加额外的重量，减小飞艇的载荷。另一种方法是放出一部分气体来减小浮力，目前的飞艇都使用的是安全性较高的氦气，而氦气资源比较稀缺，所以，放气的方法也不可取。

发明内容

1、目的：本发明的目的是为了提供一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，它克服了现有技术的不足，是一种体积相对较小、有效载荷大、起降很方便的临近空间飞行器。

2、技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，它是由艇体、太阳能电池、可倾转螺旋桨、充气式机翼、尾翼、起落架、载荷舱、蓄电池和控制系统组成；它们之间的位置连接关系是：太阳能电池覆盖在艇体的上表面，可倾转螺旋桨在艇体上部沿纵轴安装，尾翼固定在艇体尾部，充气式机翼位于艇体中前部的左右两侧，起落架安装在艇体下部，飞行时可收回到艇体内，载荷舱、蓄电池、控制系统都放置在艇体腹部内。

所述艇体呈流线形，釆用半硬式的结构方案，艇体釆用氦气囊和外蒙皮双重结构，在氦气囊和外蒙皮之间具有预定压力的空气层，一方面有助于防止漂浮气体的慢性泄漏，同时起到热量传递缓冲带的作用，有利于温度控制的实现。飞艇的首尾为刚性外框，艇体之间用沿长度方向的龙骨相连；

所述太阳能电池是柔性薄膜电池，贴合在飞艇上表面，把太阳能转换成电能供艇上设备和推进装置使用；

所述可倾转螺旋桨由大直径螺旋桨、无刷直流电机和倾转机构组成；其间关系是：大直径螺旋桨装在无刷直流电机的输出轴上，倾转机构与无刷直流电机连接；该大直径螺旋桨是三桨叶的变距螺旋桨；该无刷直流电机是无位置传感器的低速无刷直流电机，具有体积小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高等特点；该倾转机构利用舵机通过蜗轮蜗杆装置带动可倾转螺旋桨的轴倾转，利用蜗轮蜗杆传动的自锁特性保证可倾转螺旋桨的轴倾转后稳定在预定位置；它可以在过艇体纵轴的竖直平面内正负180°旋转，飞艇垂直起飞、着陆和悬停时，可倾转螺旋桨的轴垂直于地面，提供向上的升力；飞艇水平飞行时，可倾转螺旋桨的轴可向前或向后倾转90°角，呈水平状态，当作拉力螺旋桨使用，使飞艇加速或减速；它在艇体上部沿纵轴安装，关于飞艇重心对称，使升力作用点和飞艇重心在同一竖直线上。

所述充气式机翼为多气梁整体式充气机翼，它由封闭的蒙皮和内部的柔性拉条组成，拉条与上下翼面蒙皮之间构成平行的管道式内腔。该机翼内部的两侧翼梢处留有气道与气管接口相通，从而使得整个机翼内部的所有内腔始终处于相互联通的状态，保证了充气状态下整个机翼内部的压力一致，依靠其内部的气体压力和拉条约束来保持机翼的外形。在翼根有用来为机翼充气和抽气的气泵。在垂直起降和悬停时将机翼折叠，可以减小空气阻力和飞艇的不稳定性，在需要机动和运输大载荷时，将机翼充气展开，可以提供较大的动升力；

所述尾翼单叶舵面的几何形状为梯形，采用X形布局，使飞艇有较好地操纵性能和稳定性能；它的内部由结构骨架支撑，外部裹有织物蒙皮以保持气动特性。

所述起落架为前三点式起落架，在飞艇起飞、着陆时起支撑作用，飞艇升空后收回到艇内，减小飞行阻力；

所述载荷舱用来放置有效载荷、燃料电池和控制系统，位于艇体腹部内可以使飞艇外表平滑，减小飞行阻力；

所述蓄电池为氢氧燃料电池和锂离子电池。氢氧燃料电池在白天存储由太阳能电池产生的多余的电能，在晚上供艇上设备和推进装置使用，使飞艇能昼夜连续工作；锂离子电池作为燃料电池故障时的紧急备用电池，保证飞艇能及时安全降落；

所述控制系统是光传飞行控制系统，它由信号采集装置、飞行控制计算机、光缆和执行机构组成。信号采集装置包括指令接收装置和传感器，它将地面指令和飞行参数通过光缆传输到飞行控制计算机，飞行控制计算机对信号进行处理，发出控制指令，通过光缆传输到执行机构；该指令接收装置是无线信号接收机；该传感器是光传感器，用于线位移、角位移、温度、气压、速度、加速度等参数的测定和监控；该飞行控制计算机是基于DSP的嵌入式飞行控制计算机；该光缆是以多模石英光纤为芯的多芯带状光缆；该执行机构是调节型电动执行器，它根据指令作出相应的动作；控制系统可以根据地面指令或预定程序对舵面、充气式机翼的气泵以及可倾转螺旋桨的无刷直流电机转速和倾转机构的舵机等进行控制、调整，使飞艇能正常、稳定飞行。

其中，该可倾转螺旋桨的数量是两件。

3、优点及功效：本发明一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，其主要优点是：

将飞艇、充气式机翼、可倾转螺旋桨相结合，在产生相同升力的条件下，减小了飞艇的体积，减轻飞艇自重，节约材料；

采用X形尾翼布局，保证了飞艇有较好的操纵性和稳定性；

采用充气式机翼，在垂直起降和悬停时将机翼收起，可以减小空气阻力和飞艇的不稳定性，在需要机动和运输大载荷时，将机翼充气展开，可以提供较大的动升力；

飞艇的静升力用来平衡飞艇除有效载荷以外的重量，动升力和螺旋桨升力用来提升有效载荷。可以通过改变螺旋桨的输出功率调节升力，实现飞艇的起飞、着陆和悬停。所以不需要压舱物和现在使用的水回收系统，提高了飞艇的承载能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（主视图）

图2为本发明的结构示意图（立体图）

图中具体标号说明如下：

1——艇体2——太阳能电池

3——可倾转螺旋桨4——充气式机翼

5——尾翼6——起落架

7——载荷舱8——蓄电池

9——控制系统

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

见图1、图2，本发明一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，它是由艇体1、太阳能电池2、可倾转螺旋桨3、充气式机翼4、尾翼5、起落架6、载荷舱7、蓄电池8和控制系统9组成；它们之间的位置连接关系是：太阳能电池2覆盖在艇体1的上表面，两个可倾转螺旋桨3在艇体1上部沿纵轴安装，尾翼5固定在艇体1尾部，充气式机翼4位于艇体1中前部的左右两侧，起落架6安装在艇体1下部，飞行时可收回到艇体内，载荷舱7、蓄电池8、控制系统9都放置在艇体1腹部内。

所述艇体1呈流线形，釆用半硬式的结构方案，釆用氦气囊和外蒙皮双重结构，在氦气囊和外蒙皮之间具有预定压力的空气层，一方面有助于防止漂浮气体的慢性泄漏，同时起到热量传递缓冲带的作用，有利于温度控制的实现。外蒙皮采用几种不同的强化纤维材料粘合而成的薄片，在设计安全率为5的条件下，拉伸强度达到100kg/cm，其比重为180g/m²；气囊使用的是超轻量强化纤维复合材料，同样设计安全率为5的条件下，拉伸强度5kg/cm，比重为45g/m²。飞艇的首尾为刚性外框，艇体1之间用沿长度方向的龙骨相连，龙骨架采用碳素增强复合材料，具有高比强度和高比刚度。

所述太阳能电池2采用砷化镓柔性薄膜电池，贴合在飞艇上表面蒙皮上，把太阳能转换成电能供艇上设备和推进装置使用；平流层太阳能密度可达1262w/m²，砷化镓电池效率可达23％以上，则可转化得到的电能为290w/m²。

所述可倾转螺旋桨由大直径螺旋桨、无刷直流电机和倾转机构组成；其间关系是：大直径螺旋桨装在无刷直流电机的输出轴上，倾转机构与无刷直流电机连接；该大直径螺旋桨是三桨叶的变距螺旋桨；该无刷直流电机是无位置传感器的低速无刷直流电机，具有体积小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高等特点；该倾转机构利用舵机通过蜗轮蜗杆装置带动可倾转螺旋桨3的轴倾转，利用蜗轮蜗杆传动的自锁特性保证可倾转螺旋桨3的轴倾转后稳定在预定位置；为保证可倾转螺旋桨3的效率，可倾转螺旋桨3的转速不宜太高（应在500r/min左右〕。在20000米高空的空气质量非常好，所以可倾转螺旋桨3几乎不需要维护，可倾转螺旋桨3的效率可以达到75％～85％左右。可倾转螺旋桨3可以在过艇体1纵轴的竖直平面内正负180°旋转，飞艇垂直起飞、着陆和悬停时，可倾转螺旋桨3的轴垂直于地面，提供向上的升力；飞艇水平飞行时，可倾转螺旋桨3的轴可向前或向后倾转90°角，呈水平状态，当作拉力螺旋桨使用，使飞艇加速或减速；其数量为两件。

所述充气式机翼4为多气梁整体式充气机翼，气囊蒙皮采用尼龙加TPU涂层的复合材料，通过在两层气囊蒙皮之间通过拉条的约束来控制翼型，在翼梢处留有通气通道，各个气囊相互连通，整个充气式机翼4承力均匀，对于防风压变形有着相对较好的作用，同时在抗弯扭方而与刚性机翼原理相似。在需要机动和运输大载荷时，通过气泵使飞艇气囊中的气体进入充气式机翼4，将充气式机翼4充气展开，可以提供较大的动升力；在垂直起降和悬停时通过气泵把充气式机翼4中的气体抽回到飞艇气囊内，把充气式机翼4折叠，可以减小空气阻力和飞艇的不稳定性；

所述尾翼5单叶舵面的几何形状为梯形，采用X形布局，可以保证飞艇的横向和纵向稳定性，通过操纵四个舵面，可以实现飞艇的俯仰和偏航；而且，采用X形尾翼布局可以避免机翼绕流对尾翼5的直接干扰，因而不会产生明显的干扰阻力。同时由于机翼绕流离尾翼5较远，尾翼5附近的气流品质也就不会受到大的影响，从而保证了飞艇有较好地操纵性能和稳定性能；

所述起落架6为前三点式起落架，在飞艇起飞、着陆时起支撑作用，飞艇升空后收回到艇内，减小飞行阻力；

所述载荷舱7用来放置有效载荷、燃料电池和控制系统，由铝合金薄板构成，通过螺钉固定在飞艇的龙骨上，置于飞艇腹部内，可以使飞艇外表平滑，减小飞行阻力；

所述蓄电池8为氢氧燃料电池和锂离子电池，氢氧燃料电池的能量比重可达500Wh/kg，锂离子电池的能量比重达200Wh/kg。氢氧燃料电池在白天用太阳能电池产生的多余的电能把水分解成氢气和氧气，把能量储存起来；在晚上氢气和氧气通过燃料电池产生电和水，供飞艇上设备和推进装置使用，使飞艇能昼夜连续工作；锂离子电池作为燃料电池故障时的紧急备用电池，保证飞艇能及时安全降落；

所述控制系统9是光传飞行控制系统，它由信号采集装置、飞行控制计算机、光纤和执行机构组成。信号采集装置包括指令接收装置和传感器，它将地面指令和飞行参数通过光纤传输到飞行控制计算机，飞行控制计算机对信号进行处理，发出控制指令，通过光纤传输到执行机构；该指令接收装置是无线信号接收机；该传感器是光传感器，用于线位移、角位移、温度、气压、速度、加速度等参数的测定和监控；该飞行控制计算机是基于DSP的嵌入式飞行控制计算机；该光缆是以多模石英光纤为芯的多芯带状光缆；该执行机构是调节型电动执行器，它根据指令作出相应的动作。控制系统可以根据地面指令或预定程序对舵面、充气式机翼4的气泵以及可倾转螺旋桨3的无刷直流电机转速和倾转机构的舵机等进行控制、调整，使飞艇能正常、稳定飞行。

本发明在不同飞行状态下的原理如下：

垂直起降：充气式机翼4处于折叠状态，可倾转螺旋桨3竖直向上，产生向上的升力，调整电机的输出功率，可以改变上升的速度。离地一定高度之后，收起起落架6。

垂直降落：充气式机翼4处于折叠状态，可倾转螺旋桨3竖直向上，减小电机的输出功率，减小升力，使飞艇高度降低，调整电机输出功率，可以改变下降的速度。接近地面时，放出起落架6。

滑跑起降：载荷很大时，充气式机翼4处于展开状态，可倾转螺旋桨3水平向前，产生向前的拉力，使飞艇向前滑跑，达到一定的速度时，调整尾翼5上的舵面，使飞艇起飞，收起起落架6。滑跑降落的过程与此相似。

悬停：充气式机翼4处于折叠状态，可倾转螺旋桨3竖直向上，调整电机输出功率，使总升力和飞艇总重量平衡。如果充气式机翼4展开，会使飞艇的空气动力作用点前移，增加不稳定性，所以充气式机翼4要处于折叠状态。尾翼5会使空气动力作用点后移，减少不稳定性。另外，与直升机的原理相同，可以调整可倾转螺旋桨3的角度，产生不同方向的力，使飞艇实现定点悬停。

水平飞行：充气式机翼4从折叠状态充气展开，可倾转螺旋桨3向前倾转预定的角度，产生向前的分力，使飞艇向前加速，随着飞艇速度增加，充气式机翼4上产生的升力增加，可以逐渐增大可倾转螺旋桨3向前倾转的角度，使向前的分力增加，向上的分力减小。最终可倾转螺旋桨3处于水平状态，产生的力全部用来克服飞艇在水平方向上的阻力。减速时，使可倾转螺旋桨3向后倾转。

Claims (1)

1.一种采用充气式机翼和可倾转螺旋桨的临近空间飞艇，其特征在于：它是由艇体、太阳能电池、可倾转螺旋桨、充气式机翼、尾翼、起落架、载荷舱、蓄电池和控制系统组成；它们之间的位置连接关系是：太阳能电池覆盖在艇体的上表面，两个可倾转螺旋桨在艇体上部沿纵轴安装，尾翼固定在艇体尾部，充气式机翼位于艇体中前部的左右两侧，起落架安装在艇体下部，飞行时收回到艇体内，载荷舱、蓄电池、控制系统都放置在艇体腹部内；

所述艇体呈流线形，釆用半硬式的结构方案，釆用氦气囊和外蒙皮双重结构，在氦气囊和外蒙皮之间具有预定压力的空气层，一方面有助于防止漂浮气体的慢性泄漏，同时起到热量传递缓冲带的作用，有利于温度控制的实现；外蒙皮采用几种不同的强化纤维材料粘合而成的薄片，在设计安全率为5的条件下，拉伸强度达到100kg/cm，其比重为180g/m²；气囊使用的是超轻量强化纤维复合材料，同样设计安全率为5的条件下，拉伸强度5kg/cm，比重为45g/m²；飞艇的首尾为刚性外框，艇体之间用沿长度方向的龙骨相连，龙骨架采用碳素增强复合材料，具有高比强度和高比刚度；

所述太阳能电池采用砷化镓柔性薄膜电池，贴合在飞艇上表面蒙皮上，把太阳能转换成电能供艇上设备和推进装置使用；平流层太阳能密度达1262w/m²,砷化镓电池效率达到23％以上，则转化得到的电能为290w/m²；

所述可倾转螺旋桨由大直径螺旋桨、无刷直流电机和倾转机构组成；其间关系是：大直径螺旋桨装在无刷直流电机的输出轴上，倾转机构与无刷直流电机连接；该大直径螺旋桨是三桨叶的变距螺旋桨；该无刷直流电机是无位置传感器的低速无刷直流电机，具有体积小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点；该倾转机构利用舵机通过蜗轮蜗杆装置带动可倾转螺旋桨的轴倾转，利用蜗轮蜗杆传动的自锁特性保证可倾转螺旋桨的轴倾转后稳定在预定位置；为保证可倾转螺旋桨的效率，可倾转螺旋桨的转速应在500r/min；在20000米高空的空气质量好，所以可倾转螺旋桨不需要维护，可倾转螺旋桨的效率达到75％～85％；可倾转螺旋桨在过艇体纵轴的竖直平面内正负180°旋转，飞艇垂直起飞、着陆和悬停时，可倾转螺旋桨的轴垂直于地面，提供向上的升力；飞艇水平飞行时，可倾转螺旋桨的轴可向前或向后倾转90°角，呈水平状态，当作拉力螺旋桨使用，使飞艇加速或减速；其数量为两件；

所述充气式机翼为多气梁整体式充气机翼，气囊蒙皮采用尼龙加TPU涂层的复合材料，通过在两层气囊蒙皮之间通过拉条的约束来控制翼型，在翼梢处留有通气通道，各个气囊相互连通，整个充气式机翼承力均匀，在需要机动和运输大载荷时，通过气泵使飞艇气囊中的气体进入充气式机翼，将充气式机翼充气展开，提供较大的动升力；在垂直起降和悬停时通过气泵把充气式机翼中的气体抽回到飞艇气囊内，把充气式机翼折叠，减小空气阻力和飞艇的不稳定性；

尾翼的单叶舵面的几何形状为梯形，采用X形布局，保证飞艇的横向和纵向稳定性，通过操纵四个舵面，实现飞艇的俯仰和偏航；而且，采用X形尾翼布局避免机翼绕流对尾翼的直接干扰，因而不会产生明显的干扰阻力；

所述起落架为前三点式起落架，在飞艇起飞、着陆时起支撑作用，飞艇升空后收回到艇内，减小飞行阻力；

所述载荷舱用来放置有效载荷、燃料电池和控制系统，由铝合金薄板构成，通过螺钉固定在飞艇的龙骨上，置于飞艇腹部内，使飞艇外表平滑，减小飞行阻力；

所述蓄电池为氢氧燃料电池和锂离子电池，氢氧燃料电池的能量比重达500Wh/kg,锂离子电池的能量比重达200Wh/kg；氢氧燃料电池在白天用太阳能电池产生的多余的电能把水分解成氢气和氧气，把能量储存起来；在晚上氢气和氧气通过燃料电池产生电和水，供飞艇上设备和推进装置使用，使飞艇能昼夜连续工作；锂离子电池作为燃料电池故障时的紧急备用电池，保证飞艇能及时安全降落；

所述控制系统是光传飞行控制系统，它由信号采集装置、飞行控制计算机、光缆和执行机构组成；信号采集装置包括指令接收装置和传感器，它将地面指令和飞行参数通过光缆传输到飞行控制计算机，飞行控制计算机对信号进行处理，发出控制指令，通过光缆传输到执行机构；该指令接收装置是无线信号接收机；该传感器是光传感器，用于线位移、角位移、温度、气压、速度及加速度的参数的测定和监控；该飞行控制计算机是基于DSP的嵌入式飞行控制计算机；该光缆是以多模石英光纤为芯的多芯带状光缆；该执行机构是调节型电动执行器，它根据指令作出相应的动作；控制系统根据地面指令或预定程序对舵面、充气式机翼的气泵以及可倾转螺旋桨的无刷直流电机转速和倾转机构的舵机进行控制、调整，使飞艇能正常、稳定飞行；

垂直起降：充气式机翼处于折叠状态，可倾转螺旋桨竖直向上，产生向上的升力，调整电机的输出功率，改变上升的速度；离地一定高度之后，收起起落架；

垂直降落：充气式机翼处于折叠状态，可倾转螺旋桨竖直向上，减小电机的输出功率，减小升力，使飞艇高度降低，调整电机输出功率，改变下降的速度；接近地面时，放出起落架；

滑跑起降：载荷很大时，充气式机翼处于展开状态，可倾转螺旋桨水平向前，产生向前的拉力，使飞艇向前滑跑，达到一定的速度时，调整尾翼上的舵面，使飞艇起飞，收起起落架；

悬停：充气式机翼处于折叠状态，可倾转螺旋桨竖直向上，调整电机输出功率，使总升力和飞艇总重量平衡；如果充气式机翼展开，会使飞艇的空气动力作用点前移，增加不稳定性，所以充气式机翼要处于折叠状态；尾翼会使空气动力作用点后移，减少不稳定性；另外，调整可倾转螺旋桨的角度，产生不同方向的力，使飞艇实现定点悬停；

水平飞行：充气式机翼从折叠状态充气展开，可倾转螺旋桨向前倾转预定的角度，产生向前的分力，使飞艇向前加速，随着飞艇速度增加，充气式机翼上产生的升力增加，逐渐增大可倾转螺旋桨向前倾转的角度，使向前的分力增加，向上的分力减小；最终可倾转螺旋桨处于水平状态，产生的力全部用来克服飞艇在水平方向上的阻力；减速时，使可倾转螺旋桨向后倾转。