CN103241363B - 排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机 - Google Patents

Abstract

排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机。涉及高空长航时无人机领域，为了有效解决大翼面柔性充气机翼由于大变形所带来的结构不稳定问题。展开可固化桁架的上下端与柔性充气机翼下蒙皮的正中间及刚性无人机的上表面的正中间固连，展开可固化桁架的左右两侧分别设置有类翼伞结构分布的伞绳，设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳上端呈排阵式设置，且设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳上端与柔性充气机翼下蒙皮固连，设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳的下端与刚性无人机固连。本发明特别适用于高空长航时无人机。

Description

排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机

技术领域

本发明涉及高空长航时无人机领域，具体涉及一种排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机。

背景技术

由于传统的刚性机翼自身重量较大，对发动机的比推力有较高的要求且能耗较高，使得越来越多的飞行器采用充气机翼代替刚性机翼以减轻飞行器自身重量实现飞行器的轻量化。但是充气机翼(尤其是大翼面柔性充气机翼)面临由于自身柔性所来带的结构非线性变形突出，刚度较差，气动外形难以保持，结构不稳定等问题，从而影响到飞行器结构的稳定性和可靠性。目前大量的研究仅是针对机翼内部结构进行优化设计，对于机翼大变形问题的研究极少。而翼伞系统以其良好的滑翔性能和稳定性广泛应用于精确空投和飞行器的回收。

发明内容

本发明的目的是提供一种排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，为了有效解决大翼面柔性充气机翼由于大变形所带来的结构不稳定问题。

为提高无人机满足任务需求的能力以及进一步实现高空长航时飞行，本发明提出将柔性大翼面机翼与刚性无人机用类翼伞结构分布的伞绳(采用排阵式悬索类翼伞结构形式)连接起来，从柔性充气机翼外部控制机翼大变形。

本发明为实现上述目的采取的技术方案是：

排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，它包括柔性充气机翼、展开可固化桁架、刚性无人机及类翼伞结构分布的伞绳；所述的展开可固化桁架的上端与柔性充气机翼下蒙皮的正中间固连，展开可固化桁架的下端与刚性无人机的上表面的正中间固连，展开可固化桁架的左右两侧分别设置有类翼伞结构分布的伞绳，设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳上端呈排阵式设置，且设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳上端与柔性充气机翼下蒙皮固连，设置在展开可固化桁架左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳的下端与刚性无人机固连；

所述的类翼伞结构分布的伞绳包括多个一级节点、多个二级节点和两个三级节点，多个一级节点包括多个左一级节点和多个右一级节点，多个二级节点包括多个左二级节点和多个右二级节点，两个三级节点包括左三级节点和右三级节点，所述的柔性充气机翼下蒙皮画有矩阵式方格，位于展开可固化桁架左右两侧的矩阵式方格中的多个田字格内分别画有内切圆，且多个内切圆沿柔性充气机翼下蒙皮呈多排和多列的排阵式设置，多个内切圆的数量与多个一级节点的数量相同，每个一级节点由五根伞绳的下端聚集并固定在一起构成，所述的五根伞绳的上端沿所对应的内切圆的圆周均布设置并与柔性充气机翼下蒙皮固连，每个一级节点处引出一根伞绳，位于展开可固化桁架左侧每一排上的多个左一级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左二级节点，位于展开可固化桁架右侧每一排上的多个右一级节点处引出伞的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右二级节点，每个二级节点处引出一根伞绳，多个左二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左三级节点，多个右二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右三级节点，每个三级节点处引出一根伞绳，左三级节点处引出的伞绳的下端以及右三级节点处引出的伞绳的下端均与刚性无人机固连。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.本发明首次将柔性充气机翼与翼伞结构(即类翼伞结构分布的伞绳，也即采用排阵式悬索类翼伞结构形式)、展开可固化桁架和刚性无人机相结合得到一种刚柔结合的新型结构，既具备柔性充气机翼重量轻、可折叠、成本低、易于载运等优势，同时也具有刚性机翼刚度好，外形稳定的优势。

2.本发明从外部通过高比强度、高比模量芳纶纤维材料的牵引作用来控制机翼大变形，有效解决大尺度柔性充气机翼刚度差问题，提高飞行器整体稳定性和可靠性，有利于进一步实现高空长航时飞行的目标。

3.本发明在柔性充气机翼内部充入氦气，结构受升力和浮力共同作用，能有效减轻动力系统负担，有利于实现高空长航时的飞行目标。

4.本发明采用类翼伞结构分布的伞绳(即排阵式悬索的布局形式)为实现刚性翼与柔性翼结合提供可能。

5.本发明外部绳索以类似翼伞结构布局，为机翼实现展开后的巡航提供升力，并通过滑翔为实现回收提供可能。

综上，本发明在柔性翼原有重量轻、成本低的基础上有效解决大尺度充气翼刚度差，非线性变形突出的问题，提高飞行器整体稳定性和可靠性。本发明特别适用于高空长航时无人机。

附图说明

图1为本发明的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机处于飞行状态的左视图；

图2为本发明的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机处于飞行状态的主视图；

图3为柔性充气机翼1与类翼伞结构分布的伞绳连接的立体图；

图4为柔性充气机翼上伞绳连接点的布局示意图；

图5为柔性充气机翼上由三根伞绳得到一级节点的示意图；

图6为本发明的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机展开前的俯视图；

图7为本发明的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机展开前的左视图；

图8为本发明的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机展开可固化桁架结构的示意图。

图中，1-柔性充气机翼；2-展开可固化桁架；3-刚性无人机；4-类翼伞结构分布的伞绳；5-矩阵式方格；6-内切圆；7-一级节点；8-二级节点；9-三级节点。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图8，排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，它包括柔性充气机翼1、展开可固化桁架2、刚性无人机3及类翼伞结构分布的伞绳4；所述的展开可固化桁架2的上端与柔性充气机翼1下蒙皮的正中间固连，展开可固化桁架2的下端与刚性无人机3的上表面的正中间固连，展开可固化桁架2的左右两侧分别设置有类翼伞结构分布的伞绳4(在柔性充气机翼1下表面中部没有伞绳连接点)，设置在展开可固化桁架2左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳4上端呈排阵式设置，且设置在展开可固化桁架2左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳4上端与柔性充气机翼1下蒙皮固连，设置在展开可固化桁架2左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳4的下端与刚性无人机3固连。即构成一种刚柔结合的大翼展飞行器结构，柔性充气机翼1通过所述的伞绳4和展开可固化桁架2与刚性无人机3连接，提供类似翼伞结构，从而实现刚性无人机3与柔性充气机翼1结合的飞行器结构设计。

展开可固化桁架2结构的主要作用是固定柔性充气机翼1，以保证整体结构协调稳定飞行；类翼伞结构分布的伞绳4的主要作用是控制柔性充气机翼1变形，保证柔性充气机翼1工作稳定性和用于连接柔性充气机翼1与刚性无人机3。刚性无人机3与普通无人机类似，可在其上增加一些额外的结构便于类翼伞结构分布的伞绳4与展开可固化桁架2的连接。

具体实施方式二：如图1至图8所示，具体实施方式一所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的类翼伞结构(即类似翼伞结构)分布的伞绳4(即采用三层树状结构的伞绳)包括多个一级节点7、多个二级节点8和两个三级节点9，多个一级节点7包括多个左一级节点和多个右一级节点，多个二级节点8包括多个左二级节点和多个右二级节点，两个三级节点9包括左三级节点和右三级节点，所述的柔性充气机翼1下蒙皮画有矩阵式方格5，位于展开可固化桁架2左右两侧的矩阵式方格5中的多个田字格内分别画有内切圆6，且多个内切圆6沿柔性充气机翼1下蒙皮呈多排和多列的排阵式设置(所述排即为与柔性充气机翼1展开方向或者为与弦平行方向，所谓弦即为柔性充气机翼1的左侧和右侧任意两相对点之间的连线)，多个内切圆6的数量与多个一级节点7的数量相同，每个一级节点7由二至五根伞绳的下端聚集并固定在一起构成，所述的二至五根伞绳的上端沿所对应的内切圆6的圆周均布设置并与柔性充气机翼1下蒙皮固连，每个一级节点7处引出一根伞绳，每个一级节点7处引出一根伞绳，位于展开可固化桁架2左侧每一排上的多个左一级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左二级节点，位于展开可固化桁架2右侧每一排上的多个右一级节点处引出伞的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右二级节点，每个二级节点8处引出一根伞绳，多个左二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左三级节点，多个右二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右三级节点，每个三级节点9处引出一根伞绳，左三级节点处引出的伞绳的下端以及右三级节点处引出的伞绳的下端均与刚性无人机3固连。

所述的矩阵式方格5中位于前排的内切圆6与相邻排内切圆6之间留有一排方格，即间距为方格的一个边长；矩阵式方格5中位于后排的内切圆6与相邻排内切圆6之间留有一排方格，即间隔为方格的一个边长。

柔性充气机翼1下蒙皮位于展开可固化桁架2左侧部分中，由柔性充气机翼1前端至后端共有十五排方格，设定由柔性充气机翼1前端至后端依次定义为第一排方格至第十五排方格，由第一排方格和第二排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆6，设定该多个内切圆6为第一排内切圆，该第一排内切圆由左至右数出的十五个内切圆6中，相邻两个内切圆6之间间隔一个方格的边长；由第十四排方格和第十五排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆6，设定该多个内切圆6为第六排内切圆，该第六排内切圆由左至右数出的十五个内切圆6中，相邻两个内切圆6之间间隔一个方格的边长；由第四排方格和第五排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆6，设定该多个内切圆6为第二排内切圆，第二排内切圆与第一排内切圆之间间隔一个方格的边长；由第六排方格和第七排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆6，设定该多个内切圆6为第三排内切圆，第三排内切圆与第二排内切圆一一相切设置；由第九排方格和第十排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆，设定该多个内切圆6为第四排内切圆，第四排内切圆与第三排内切圆之间间隔一个方格的边长；由第十一排方格和第十二排方格组成的多个田字格内画有多个内切圆6，设定该多个内切圆6为第五排内切圆，第五排内切圆与第四排内切圆一一相切设置，第五排内切圆与第六排内切圆之间间隔一个方格的边长。第一排内切圆、第二排内切圆、第三排内切圆、第四排内切圆及第五排内切圆中的多个内切圆6沿列向一一对应设置。柔性充气机翼1下蒙皮位于展开可固化桁架2右侧部分中的多个内切圆6的设置与上述相同。均匀对称的分布方式使应力分散，不至于造成应力集中，影响本身充气翼柔性整体结构发生巨大变形或者破坏。

具体实施方式三：如图1、图2及图6至图8所示，具体实施方式二所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的左三级节点处引出的伞绳的下端及右三级节点处引出的伞绳的下端均通过锁扣与刚性无人机3固连。连接方便，牢固。

具体实施方式四：如图4及图5所示，具体实施方式二所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的每个一级节点7由三根伞绳的下端聚集并固定在一起构成。载荷均布于每根伞绳上，三根伞绳的应力状态近似相同，避免某一根伞绳受力过大而先破坏，使应力分布均匀，减小应力集中现象。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的伞绳的材质为芳纶纤维。可满足轻量化要求，且具有足够拉伸强度。

具体实施方式六：如图4所示，具体实施方式六所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的矩阵式方格5中的每个方格的边长为0.9～1.1m。优选所述的每个方格的边长为1.0m。可满足大翼面机翼的设计要求。

具体实施方式七：如图1至图3及图6至图8所示，具体实施方式一或五所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的展开可固化桁架2材料为形状记忆聚合物复合材料。展开前与柔性充气机翼1一起折叠收拢至刚性无人机3上表面，展开固化后起连接作用，目的是连接刚性无人机3与柔性充气机翼1，使两者协调飞行，保证柔性充气机翼1与刚性无人机3运动过程中的协调性。

具体实施方式八：如图1至图3及图6至图8所示，具体实施方式一所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的柔性充气机翼1为点阵式柔性充气机翼、网状式柔性充气机翼、多气梁整体式机翼或者多管式机翼。

具体实施方式九：如图1至图3及图6至图8所示，具体实施方式一所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的柔性充气机翼1展开前采用Z字形折叠或者卷曲方式折叠并置于刚性无人机3上表面。当进入预定高度14km～16km之后，柔性充气机翼1进行快速充气展开。

具体实施方式十：如图1至图3及图6至图8所示，具体实施方式一所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，所述的柔性充气机翼1展开前，向柔性充气机翼1内腔充入高压氦气，氦气的压力为1KPa。

在起飞及低空飞行阶段，柔性充气机翼1与展开可固化桁架2折叠收紧安放固定于刚性无人机3上。此时整个飞行器靠刚性无人机3爬升或下降，当进入预定高度(14km～16km)之后，向柔性充气机翼1内充气高压氦气，柔性充气机翼1快速展开。与此同时，用形状记忆聚合物复合材料制成的桁架展开固化后起支撑连接作用，目的是进一步连接刚性无人机与柔性充气机翼，使两者协调飞行，保证柔性充气机翼与刚性无人机运动过程中连接的稳定性。伞绳随之有序展开拉直至紧绷状态并呈翼伞布局结构，通过伞绳的拉拽对柔性充气机翼进行变形控制，以增加飞行的稳定性和可靠性。充气展开后的刚性无人机同时依靠柔性充气机翼受到的升力以及柔性充气机翼所受到的浮力提供上升的动力。在柔性充气机翼上层蒙皮贴太阳能电池片以提供刚性无人机在实现长航时巡航的主要能量，刚性无人机内传统的化学能源仅作为在柔性充气机翼完全打开前，飞行器归航，飞行器姿态应急调整及其他特殊条件下使用的辅助能源；柔性充气机翼下层蒙皮安置柔性天线用于探测侦查等。以上过程实现了本发明的高空长航时飞行的任务。

Claims (8)

1.一种排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：它包括柔性充气机翼(1)、展开可固化桁架(2)、刚性无人机(3)及类翼伞结构分布的伞绳(4)；所述的展开可固化桁架(2)的上端与柔性充气机翼(1)下蒙皮的正中间固连，展开可固化桁架(2)的下端与刚性无人机(3)的上表面的正中间固连，展开可固化桁架(2)的左右两侧分别设置有类翼伞结构分布的伞绳(4)，设置在展开可固化桁架(2)左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳(4)上端呈排阵式设置，且设置在展开可固化桁架(2)左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳(4)上端与柔性充气机翼(1)下蒙皮固连，设置在展开可固化桁架(2)左右两侧的类翼伞结构分布的伞绳(4)的下端与刚性无人机(3)固连；

所述的类翼伞结构分布的伞绳(4)包括多个一级节点(7)、多个二级节点(8)和两个三级节点(9)，多个一级节点(7)包括多个左一级节点和多个右一级节点，多个二级节点(8)包括多个左二级节点和多个右二级节点，两个三级节点(9)包括左三级节点和右三级节点，所述的柔性充气机翼(1)下蒙皮画有矩阵式方格(5)，位于展开可固化桁架(2)左右两侧的矩阵式方格(5)中的多个田字格内分别画有内切圆(6)，且多个内切圆(6)沿柔性充气机翼(1)下蒙皮呈多排和多列的排阵式设置，多个内切圆(6)的数量与多个一级节点(7)的数量相同，每个一级节点(7)由五根伞绳的下端聚集并固定在一起构成，所述的五根伞绳的上端沿所对应的内切圆(6)的圆周均布设置并与柔性充气机翼(1)下蒙皮固连，每个一级节点(7)处引出一根伞绳，位于展开可固化桁架(2)左侧每一排上的多个左一级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左二级节点，位于展开可固化桁架(2)右侧每一排上的多个右一级节点处引出伞的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右二级节点，每个二级节点(8)处引出一根伞绳，多个左二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个左三级节点，多个右二级节点处引出的伞绳的下端聚集并固定在一起构成一个右三级节点，每个三级节点(9)处引出一根伞绳，左三级节点处引出的伞绳的下端以及右三级节点处引出的伞绳的下端均与刚性无人机(3)固连。

2.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的左三级节点处引出的伞绳的下端及右三级节点处引出的伞绳的下端均通过锁扣与刚性无人机(3)固连。

3.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的伞绳的材质为芳纶纤维。

4.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的矩阵式方格(5)中的每个方格的边长为0.9～1.1m。

5.如权利要求1或3所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的展开可固化桁架(2)材料为形状记忆聚合物复合材料。

6.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的柔性充气机翼(1)为点阵式柔性充气机翼、网状式柔性充气机翼、多气梁整体式机翼或者多管式机翼。

7.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的柔性充气机翼(1)展开前采用Z字形折叠或者卷曲方式折叠并置于刚性无人机(3)上表面。

8.如权利要求1所述的排阵式悬索控型刚柔混合式类翼伞柔性充气机翼无人机，其特征是：所述的柔性充气机翼(1)展开前，向柔性充气机翼(1)内腔充入高压氦气，氦气的压力为1KPa。