CN103287569B - 非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，采用前后阶梯平行翼布局；后翼上表面全部铺设太阳能电池；前翼后缘安装有全翼展的升降副翼，前翼上表面除升降副翼以外其它面积铺设太阳能电池；在后翼下表面固定有四片垂直立板，且通过撑杆将四片垂直立板的下端面与前翼的四个展向端面固定连接；在后翼前缘固定安装有推进动力系统；在前翼、后翼和撑杆围成的两个空间内分别固定有一个垂直升力系统。本发明通过增加直接升力，减少起飞场长，解决大尺度太阳能飞机超短距/垂直起飞降落问题，提高起飞降落的安全性，同时，能够在临近空间提供直接升力，实现悬停定点执行任务。

Description

非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机
技术领域
本发明涉及太阳能无人机技术领域，具体为一种非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机。
背景技术
太阳能无人机依靠白天采集的太阳能完成白天飞行，并存储一部分供夜间飞行，太阳能无人机布局与太阳能电池的铺设和能量的采集密切关联。需要通过足够的太阳能电池铺设才能满足飞机飞行。对于200公斤以上任务载荷的要求，临近空间太阳能飞机为满足光伏电池铺设和高气动效率，其飞机机翼展长将达到100米以上。
目前太阳能飞机起飞、降落采用的方式有：轮式滑跑、人力托送、车载等。鉴于标准机场跑道只有约70米宽，而百米以上大尺度飞机，常规的轮式滑跑起飞、降落很困难，人力托送和车载也不能胜任。此外，目前太阳能无人机采用的是推力方式，不能实现定点悬停执行任务。
发明内容
要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：（1）百米以上翼展太阳能飞机的超短距/垂直起降问题，避免对跑道式大型专用机场的需求；（2）临近空间悬停问题，实现定点执行任务。
技术方案
本发明的原理是主要采用升推式气动布局，增加直接升力，减少起飞场长，解决大尺度太阳能飞机超短距/垂直起飞降落问题，提高起飞降落的安全性。同时，能够在临近空间提供直接升力，实现悬停定点执行任务。
本发明的技术方案为：
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：采用双前翼、单后翼，前翼在下、后翼在上，形成前后阶梯平行翼布局；后翼与前翼均为等弦长矩形直翼，前翼和后翼弦长相等；后翼上表面全部铺设太阳能电池；在前翼后缘安装有全翼展的升降副翼，前翼上表面除升降副翼以外其它面积铺设太阳能电池；在后翼下表面固定有四片垂直立板，四片垂直立板在后翼展向的位置与前翼的四个展向端面位置对应，且通过撑杆将四片垂直立板的下端面与前翼的四个展向端面固定连接；在后翼前缘固定安装有推进动力系统；在前翼、后翼和撑杆围成的两个空间内分别固定有一个垂直升力系统。
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：每个前翼展长为后翼展长的1/8～1/6；每个前翼的内侧翼尖距后翼对称面的距离为1/8～1/6个后翼展长；前翼前缘距后翼后缘的弦向长度为后翼展长的1/8～1/6，垂直立板的高度为后翼展长的1/30～1/28。
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：后翼展弦比约为38，单个前翼展弦比约为5。
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：在距前翼后缘20%～25%弦长处安装有全翼展的升降副翼。
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：前翼和后翼的翼型满足升阻比大于50、最大升力系数为1.6～1.8、相对厚度12%～14%、最大厚度点在30%～40%弦长处。
所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：单个垂直升力系统的直径为1/15～1/10个后翼展长。
有益效果
申请人对本发明的技术方案进行了垂直起飞和临近空间悬停的飞行性能匹配验证。以下给出了飞机气动设计与能源需求匹配的结果，包括：气动升阻比、俯仰力矩特性、垂直起飞需求功率、临近空间悬停需求功率。
（1）气动特性
如图3和图4所示，结果表明，在巡航设计点升力系数CL=1.1附近全机升阻比达到最大30（图3），且在巡航点满足Cm=0，即实现纵向力矩自配平（图4）。
（2）场地垂直起飞的飞行性能匹配效果
图5、图6和图7给出了风扇效率为0.5～0.85时，不同能量Pi供给下所需要的起飞速度Vi。
实施例中可供使用能量为504kw，当风扇效率为0.85时，供给垂直升力风扇220kw（占44%的总能量）时，可实现垂直起降，即达到Vi=0.0（图5）；当风扇效率为0.65时，供给垂直升力风扇285kw（占56%的总能量）时，可实现垂直起降（图6）；当风扇效率为0.5时，供给垂直升力风扇400kw（占79%的总能量）时，可实现垂直起降（图7）。可见本方案完全满足非跑道式场地垂直起降要求。
（3）临近空间悬停的飞行性能匹配效果
图8、图9和图10给出了按25公里巡航飞行，在不同的风扇效率和给垂直升力风扇供给不同功率Pi时，需要的前飞速度Vi。
从图可见，无垂直风扇提供升力时，前飞速度需达到56m/s才能维持飞行平衡。当风扇效率为0.85，垂直升力风扇输入功率为185kw（占37%的总能量）时，可以实现悬停，即前飞速度Vi=0.0（图8）；当风扇效率降低到0.65，垂直升力风扇供给功率为240kw（占48%的总能量）时，可以实现悬停（图9）；当风扇效率降低到0.5，垂直升力风扇输入功率为330kw（占66%的总能量）时，可以实现悬停（图10）。而总体可供给总能量为504kwh，所以本方案可以执行1.5～2.5小时的定点悬停任务。
附图说明
图1：本发明的三视图；
图2：实施例中无人机的主视图；
图3：实施例中无人机的升阻比-升力系数曲线；
图4：实施例中无人机的俯仰力矩-升力系数曲线；
图5：风扇效率为0.85，垂直升力风扇供给能量-需要的起飞速度曲线；
图6：风扇效率为0.65，垂直升力风扇供给能量-需要的起飞速度曲线；
图7：风扇效率为0.5，垂直升力风扇供给能量-需要的起飞速度曲线；
图8：风扇效率为0.85，垂直升力风扇供给能量-需要的前飞速度曲线；
图9：风扇效率为0.65，垂直升力风扇供给能量-需要的前飞速度曲线；
图10：风扇效率为0.5，垂直升力风扇供给能量-需要的前飞速度曲线。
其中：1-后翼，2-前翼，3-垂直升力风扇，4-推进电机，5-推进桨，6-垂直升力风扇电机，7-撑杆，8-垂直立板。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例提供一种非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机。
参照附图1，本实施例中的升推式大尺度太阳能无人机采用双前翼、单后翼，前翼在下、后翼在上的前后阶梯平行翼布局，后翼为主翼，两个前翼为辅翼。
后翼与前翼均为等弦长单前缘0°后掠角的直翼，以满足太阳能电池的铺设要求。前翼和后翼弦长相等，本实施例中前翼和后翼弦长为2.5m。后翼上表面全部铺设太阳能电池，共铺设尺寸为125mm×125mm的太阳能电池7200片。距前翼后缘20%～25%弦长处布置全翼展的升降副翼，前翼上表面除升降副翼以外其它面积铺设太阳能电池，共铺设太阳能电池片1575块，4组并联，其中有一组为450片62.5mm×125mm太阳能电池串联，其余3组均为450片125mm×125mm太阳能电池串联。
后翼展弦比取38，可获得良好的升阻特性，实现持续飞行；前翼展弦比取5，可获得良好的力矩配平特性和升阻特性，实现高空自配平飞行。起飞翼载控制在6～7kg/m2，以实现昼夜交替飞行。每个前翼展长为后翼展长的1/8～1/6，本实施例中为12米，每个前翼的内侧翼尖距后翼对称面的距离为1/8～1/6个后翼展长，本实施例中为13米，以获得良好的力矩配平特性，实现自配平飞行，前翼前缘距后翼后缘的弦向长度为后翼展长的1/8～1/6，本实施例中为15米。
前翼和后翼的翼型满足升阻比大于50、最大升力系数为1.6～1.8、相对厚度12%～14%、最大厚度点在30%～40%弦长处。本实施例中采用雷诺数为40万的高升力翼型，最大升力系数为1.7，相对厚度为13%，最大厚度点在30%弦长处。
在后翼下表面固定有四片垂直立板，四片垂直立板在后翼展向的位置与前翼的四个展向端面位置对应，且通过撑杆将四片垂直立板的下端面与前翼的四个展向端面固定连接，撑杆长度为11米。四片垂直立板采用相对厚度为12%的对称翼型，垂直立板的高度为后翼展长的1/30～1/28，本实施例中垂直立板的高度为3.5米，以保证气动稳定和起飞要求，并避免前后翼气流干扰，同时减小起落架高度。
在后翼前缘固定安装有12组推进动力系统，推进动力系统由推进电机和推进螺旋桨组成，推进螺旋桨为直径2.4米的两叶定距螺旋桨。在前翼、后翼和撑杆围成的两个空间内分别固定有一个垂直升力系统，每个垂直升力系统由垂直升力风扇电机和垂直升力风扇组成，垂直升力风扇采用直径为1/15～1/10个后翼展长的四叶定距螺旋桨，本实施例中垂直升力风扇的四叶定距螺旋桨直径为8.5米。

Claims (5)

1.一种非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：采用双前翼、单后翼，前翼在下、后翼在上，形成前后阶梯平行翼布局；后翼与前翼均为等弦长矩形直翼，前翼和后翼弦长相等；后翼上表面全部铺设太阳能电池；在距前翼后缘20％～25％弦长处安装有全翼展的升降副翼，前翼上表面除升降副翼以外其它面积铺设太阳能电池；在后翼下表面固定有四片垂直立板，四片垂直立板在后翼展向的位置与前翼的四个展向端面位置对应，且通过撑杆将四片垂直立板的下端面与前翼的四个展向端面固定连接；在后翼前缘固定安装有推进动力系统；在前翼、后翼和撑杆围成的两个空间内分别固定有一个垂直升力系统。
2.根据权利要求1所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：每个前翼展长为后翼展长的1/8～1/6；每个前翼的内侧翼尖距后翼对称面的距离为1/8～1/6个后翼展长；前翼前缘距后翼后缘的弦向长度为后翼展长的1/8～1/6，垂直立板的高度为后翼展长的1/30～1/28。
3.根据权利要求1或2所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：后翼展弦比为38，单个前翼展弦比为5。
4.根据权利要求3所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：前翼和后翼的翼型满足升阻比大于50、最大升力系数为1.6～1.8、相对厚度12％～14％、最大厚度点在30％～40％弦长处。
5.根据权利要求4所述非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机，其特征在于：单个垂直升力系统的直径为1/15～1/10个后翼展长。
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