CN102910280A - 一种临近空间升浮一体飞行器气动布局 - Google Patents

Abstract

一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，包括机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼和螺旋桨；所述的机身为通过两个椭圆组合为控线旋转而成的低阻外形，机身内部前半部分和后半部分下方分别安装气囊，囊内气体密度小于悬浮飞行高度空气密度，每个气囊与机身底部之间设置充放气孔。本发明综合飞艇和太阳能飞机特点，通过利用静浮力解决了太阳能无人机留空时间短的问题，通过利用动升力解决了飞艇控制特性差，响应速度慢的问题。

Description

一种临近空间升浮一体飞行器气动布局

技术领域

本发明属于无人机设计技术领域，涉及一种能充分利用空气静浮力和动升力的超长航时临近空间升浮一体飞行器。

背景技术

当前临近空间低速飞行器分为两大类：太阳能无人机和临近空间飞艇，其发展目标都是实现高空长航时(数周、数月至一两年)的高空飞行，以便实现对地低成本高精度的定点观测、侦察、通信中继等军事或民用目标。从侦察监视精准度来看，由于飞行高度大致在20-30km，如携带同样的载荷设备，其侦察监视分辨效果要优于卫星，因此，它们无疑是对某一区域进行长期侦察监视的优秀平台。但这两大类飞行器各自有其优势和不足。太阳能无人机相对成本较低、部署灵活、可控性好，但是其有效载荷小，飞行到指定空域耗时长，升空过程经过对流层易由于气弹问题发生危险。临近空间飞艇有效载荷大，升空相对容易，但其存在可控性差、成本高、体积庞大等缺点。

升浮一体飞行器的研究，国外虽然起步很晚，但已经制定了相应的发展计划。美国防高级研究计划局(DARPA)已制定开发并评估一种大型空运飞行器概念“海象”飞艇，它是一种“混合”式飞机，通过综合运用空气动力学、推力矢量和空气浮力的产生与管理产生升力来保障飞行，计划旨在验证大型升力飞行器能将陆军作战部队及其装备从驻防区运送至战区的可行性及生存力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，使得飞行器能很好的利用空气的静浮力和飞行的动升力，兼具飞艇和太阳能无人机的优势，从而实现该飞行器超长航时飞行和操控特性良好的特点。

本发明的技术解决方案是：一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，包括机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼和旋桨；所述的机身为通过两个椭圆组合为控线旋转而成的低阻外形，机身内部前半部分和后半部分下方分别安装气囊，囊内气体密度小于悬浮飞行高度空气密度，每个气囊与机身底部之间设置充放气孔。

所述的机身为单个或者多个；单个机身时，机翼为梯形中单翼，平直尾翼位于机身后体两侧，一个垂直尾翼位于机身后体背部；多个机身时，各机身并排排列，各机身之间通过平直中单翼连接，机身外侧为梯形中单翼，各机身后体之间设有水平尾翼，每个机身背部有一个垂直尾翼。

所述的平直中单翼采用矩形机翼。

所述的梯形中单翼的梢根比为0.3-0.8之间，1/4弦线后掠角为0度。

所述的机身为低阻高容积面积比机身，其控线通过两个椭圆组合而成，椭圆方程分别为：前半部分，

后半部分，

所述的机翼采用大展弦比机翼，其展弦比为15-20之间

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、相比现有太阳能无人机，临近空间升浮一体飞行器采用大机身，且安装气囊，可大大提高飞行器的超长航时飞行的目的；

2、相比于高空飞艇，临近空间升浮一体飞行器采用高性能的机翼，同时安装平尾垂尾，保证飞行器具有良好的控制特性。

3、本发明所述的机身通过两个椭圆为控线组合形成，机身阻力小，具有较高的容积面积比。根据不同的飞行器重量可选择单机身、双机身、多机身，随着机身的增多，飞行器的尺寸大大较小，同时机身表面曲率半径减小有利于降低表面蒙皮材料和结构的压力。

4、本发明所述的机翼为高空低雷诺数高升力高升阻比机翼，保证在动升力飞行过程中具有较好的气动性能。采用中单翼布局保证全机高度方向重心较低，保证巡航状态时全机浮力焦点位于重心之上。

附图说明

图1为本发明升浮一体飞行器单机身布局示意图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图2为本发明升浮一体飞行器双机身布局示意图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图3为本发明升浮一体飞行器三机身布局示意图；

图4为本发明机身剖面控线形状。

具体实施方式

本发明单或多机身气动布局根据不同的飞行器重量选择，飞行重量若较大，会导致飞行器所需的浮力较大，进而导致飞行器机身内部需要较大的容积，若采用单个机身会导致机身较大，机身表面曲率半径较大，这对飞行器表面蒙皮材料和结构会造成巨大的压力，此时适合采用多机身布局，若飞行器重量本身较小，则考虑单机身布局。单机身布局如图1所示，双机身布局如图2所示，三机身布局如图3所示，多机身布局和双/三机身布局类似。升浮一体飞行器的运行主要有两个特征：一、充分利用静浮力进行升空和悬浮，二、利用动升力和静浮力相结合的飞行方式扩大飞行器的飞行包线和增强其操纵性能。

下面结合附图2以双机身布局为例对本发明的技术方案做进一步说明：

如图2所示的本发明包括机身一1，机身二2，机翼平直段3，机翼梯形段4，副翼5，水平尾翼6，升降舵7，垂直尾翼8，方向舵9，螺旋桨主桨10，螺旋桨副桨11，气囊一12，气囊二13。机身之间通过平直内机翼3连接，外侧采用梯形平直中单翼4，机翼为产生动升力的主要部件，外侧机翼4后缘设有副翼5，主要用来控制飞行器滚转，两个机身背部分别安装有垂直尾翼8和方向舵9，主要用于保证飞行器航向特性，机身之间在后体处通过平直尾翼6连接，其后缘设有升降舵7，用于保证飞行器纵向特性。气囊一12和气囊二13位于机身1，2内部底部，机翼平直段3前缘设有螺旋桨主桨10，其功率较高，机翼梯形段安装有螺旋桨副桨11，其功率较低。

上述机身1，2一为容积面积比较高、阻力较低的两个椭圆组合为控线旋转而成。两个椭圆表达式分别为：前半部分、

后半部分、

两椭圆位置如图4所示。a、b的大小根据飞行器重量等确定。该机身内部安装有前后两个气囊12，13，气囊内部装有小于悬浮高度空气密度的气体。若飞行器需要上升时，排出空气，此时机身1，2内部密度变小，在大气浮力的作用下飞行器实现上升，若飞行器需要下降，吸入空气，此时机身内部密度变大，飞行器下降，前后气囊通过充/排气多少的不同控制飞行器纵向姿态。

上述机翼采用大展弦比机翼，其展弦比为15-20之间，机翼平直段3为矩形机翼，也可以为基本平直的呈小梯形的梯形机翼，机翼梯形段4采用梯形机翼，其梢根比为0.3-0.8之间，1/4弦线后掠角为0度。这样的平面形状和几何参数具有结构简单，气动性能优的特点。机翼翼型选择相对厚度为10％-14％的高升力高升阻比外形。上述平尾6采用平直机翼，后缘设置升降舵面7，主要用来控制飞行器的纵向飞行姿态和连接多个机身。平尾采用相对厚度8％-13％的对称翼型。

在飞行器飞行过程中，通过调整机身静浮力实现飞行器飞行到悬浮高度，通过前后两个气囊调整飞行器重量、密度和重量分布以及升空速度。上升过程中随着高度的增加，飞行器的质心和浮心匹配会发生变化，需要适时通过动力系统、飞控系统协调配合实现平稳升空，所述动力系统与飞控系统根据现有的无人机的规定进行设计，为本领域公知技术。在飞行到目的高度之后可利用飞行器动升力进一步扩大飞行器的飞行包线，同时增加其控制性能，使其能够按预想的线路飞行，这是目前高空飞艇较难完成的。

与一般的飞行器不同，升浮一体飞行器具有纵向焦点、浮力焦点和重心。只有当纵向焦点、浮力焦点和飞行器的重心位置合理配置时，飞行器才是稳定的。采用中单翼布局可以保证重心在高度方向较低，采用机身底部气囊可以保证浮力焦点在高度方向靠上。这可保证在规定的使用条件下飞行器具有良好的稳定性，保证纵向焦点、浮力焦点、重心的合理配置。

本发明临近空间升浮一体飞行器可以同时兼顾高空飞艇和太阳能无人机的优势，可实现高空超长航时飞行。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，包括机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼和螺旋桨；其特征在于：所述的机身为通过两个椭圆组合为控线旋转而成的低阻外形，机身内部前半部分和后半部分下方分别安装气囊，囊内气体密度小于悬浮飞行高度空气密度，每个气囊与机身底部之间设置充放气孔。

2.根据权利要求1所述的一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，其特征在于：所述的机身为单个或者多个；单个机身时，机翼为梯形中单翼，平直尾翼位于机身后体两侧，一个垂直尾翼位于机身后体背部；多个机身时，各机身并排排列，各机身之间通过平直中单翼连接，机身外侧为梯形中单翼，各机身后体之间设有水平尾翼，每个机身背部有一个垂直尾翼。

3.根据权利要求2所述的一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，其特征在于：所述的平直中单翼采用矩形机翼。

4.根据权利要求2所述的一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，其特征在于：所述的梯形中单翼的梢根比为0.3-0.8之间，1/4弦线后掠角为0度。

5.根据权利要求1或2所述的一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，其特征在于：所述的机身为低阻高容积面积比机身，其控线通过两个椭圆组合而成，椭圆方程分别为：前半部分，

后半部分，

6.根据权利要求1所述的一种临近空间升浮一体飞行器气动布局，其特征在于：所述的机翼采用大展弦比机翼，其展弦比为15-20之间。

Images