CN103434640B - 一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机，采用双机身布局，两个机身外侧安装机翼，两个机身之间安装有马格纳斯效应推进系统和尾翼，机身头部安装有螺旋桨推进器；机翼上表面覆盖有薄膜太阳能电池。其中马格纳斯效应转子在白天可作为升力装置，在相同来流速度下，马格纳斯效应转子只需要提高转速则可大幅提高升力，即使在低速飞行时也可为无人机提供足够升力，降低无人机最小起飞速度和巡航速度，有利于无人机进行短距起降和空中低速巡航侦查；夜间，马格纳斯效应转子可作为风力发电装置，利用高空的稳定、持续的风能进行发电，避免了无人机仅能在白天获取能量密度较低的太阳能为飞行储能、从而使得机翼面积或翼展很大的不足。

Description

一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体为一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机。

背景技术

经典的马格纳斯效应是指在粘性不可压缩流体中运动的旋转圆柱受到举力的一种现象。比如，足球在气流中运动时，若其上球面的旋转方向与气流同向，则会带动上球面附近的气流运动，使得上球面的流速增加，产生低压；反之，与气流速度方向相反的下球面则会产生高压，从而产生举力。目前马格纳斯效应的应用主要是作为船舶的推进装置和风力发电的转子。

由于海上风力较强，马格纳斯效应转子可作为船舶的推进系统。由J·P·温克勒等人申请的中国专利CN102803065A公开了包括装载式马格纳斯效应转子的船舶。该发明提供的船舶方案包括船体和甲板，竖直安装于甲板上的圆筒形转子有可绕着自身纵向中心线旋转的圆筒壁，并具有上部端板。该转子在不运转时上部端板位于甲板附近，端板设置有可动边缘区段，边缘区段在转子运转时从周边壁径向向外地延伸，并在转子不运转时缩回至靠近周边壁的位置。该方案的优点是可以充分利用海上风力，为船舶提供部分推力；其局限在于，利用与船舶航向垂直的侧向风力，而若风向与航向相同时产生的是侧向力，无益于船舶推进，此时该马格纳斯效应转子不能起到推进作用，对于船体而言成为附加重量，使得该方案对于风向具有较高要求；另外，当船舶靠岸停泊期间不能充分利用风能发电，上述不足降低了其经济性和实用性。

现有太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。由于太阳辐射的能量密度小，且仅能在白天获取太阳能，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此太阳能飞机的机翼面积通常很大，需要极大的翼展，不便于停放。另外，现有高空无人机通常需要具有较高飞行速度才能产生足够升力克服自重，因此很难以低速或定点对某目标进行长时间侦查。

高空风能是高空无人机迄今基本上没有利用的新能源，这是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。高空风的特点是风速大，分布广，稳定性高，常年不断。采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风能的显著特点之一。

总之，目前的马格纳斯效应转子仍是单独作为推进装置或者风力发电装置，风能利用率有限，还没有充分利用马格纳斯效应的特点，最大限度地发挥其效能。而高空无人机通常以太阳能为主，由于太阳辐射能量密度小，且仅能在白天获取，使得对于高空的能量利用率不高，需要极大的机翼面积。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，使得高空无人机在利用太阳能的同时充分利用高空风能，且能在较低飞行速度下巡航而产生足够升力平衡自重，本发明提出了一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机，其特征在于：采用双机身布局，两个机身外侧安装机翼，两个机身之间安装有马格纳斯效应推进系统和尾翼，机身头部安装有螺旋桨推进器；机翼上表面覆盖有薄膜太阳能电池；

所述马格纳斯效应推进系统包括马格纳斯效应转子和任务转换控制装置；任务转换控制装置安装在机身内；

所述马格纳斯效应转子包括主转轴、主转筒组件、若干组风叶组件和风叶驱动组件；

所述主转筒组件包括主转筒和两个主转筒盖板；主转筒两端分别与主转筒盖板固定连接；主转筒侧面开有若干轴向的风叶伸缩缝，风叶伸缩缝个数与风叶组件个数相同；两个主转筒盖板与主转轴同轴固定连接；两个主转筒盖板的内侧端面上开有若干风叶夹套安装孔；

所述风叶组件包括风叶和风叶夹套；所述风叶由平板风叶板和圆弧风叶板组成，平板风叶板的宽度等于圆弧风叶板的圆弧半径；平板风叶板两端固连风叶夹套，风叶夹套与风叶夹套安装孔转动配合，其中风叶夹套的转动轴处于对应圆弧风叶板的圆弧圆心位置；当风叶夹套绕转动轴转动时，风叶夹套带动圆弧风叶板沿自身圆弧在主转筒侧面对应的风叶伸缩缝内伸缩；

所述风叶驱动组件包括驱动电机和主齿轮；驱动电机安装在一个主转筒盖板的外侧端面，驱动电机驱动主齿轮转动，主齿轮与主转筒同轴；主齿轮与所有风叶夹套转动轴端部的从动齿轮啮合配合；

所述任务转换控制装置包括箱体、主直线导轨滑块机构、副直线导轨滑块机构、滑块牵连杆，主转轴驱动机构和发电机构；箱体对主转轴的伸出段轴向定位，且主转轴能够自由转动；处于箱体内侧的主转轴上同轴固定有主转轴驱动机构的大齿轮以及发电机构的转子；

主直线导轨滑块机构与副直线导轨滑块机构的导轨相互垂直，均处于箱体内；副直线导轨滑块机构的导轨方向与主转轴轴向平行；

主转轴驱动机构包括大齿轮、小齿轮、主转轴驱动电机和伸缩式液压缸，伸缩式液压缸固定在箱体上，驱动主直线滑块沿主直线导轨运动，主转轴驱动电机通过电机支座固定在主直线滑块上，小齿轮处于主转轴驱动电机的驱动轴端部，且当伸缩式液压缸推动主直线滑块沿主直线导轨运动时，小齿轮能够与大齿轮啮合配合；

发电机构包括转子和定子，定子通过发电机支座固定在副直线滑块上；

滑块牵连杆两端与主直线滑块以及副直线滑块铰链配合；当伸缩式液压缸推动主直线滑块沿主直线导轨运动时，滑块牵连杆带动副直线滑块沿副直线导轨运动，且当小齿轮与大齿轮啮合配合时，滑块牵连杆推动发电机构的定子与转子沿轴向分离；当小齿轮与大齿轮分离时，滑块牵连杆拉动发电机构的定子与转子轴向组合。

有益效果

本发明的有益效果为：

本方案高空无人机中的马格纳斯效应转子在白天可作为升力装置，从空气动力学角度来看，在相同来流速度下，马格纳斯效应转子只需要提高转速则可大幅提高升力，即使在低速飞行时也可为无人机提供足够升力，从而降低无人机的最小起飞速度和巡航速度，有利于无人机进行短距起降和空中低速巡航侦查；

从高空能量利用效率角度而言，在夜间，马格纳斯效应转子可作为风力发电装置，可充分利用高空的稳定、持续的风能进行发电，避免了无人机仅能在白天获取能量密度较低的的太阳能为飞行储能、从而使得机翼面积或翼展很大的不足；

从结构效率来看，由于马格纳斯效应系统横跨机身安装，无论是作为日间升力装置或者夜间风力发电装置，其都起到了连接两个机身、传递力的作用，从而达到结构重用的效果。

附图说明

图1：马格纳斯效应转子作为升力装置时的无人机示意图

图2：马格纳斯效应转子作为风力发电装置时的无人机示意图

图3：马格纳斯效应系统与机身内部连接关系示意图

图4：机身及其内部示意图

图5：机身侧视图

图6：机翼示意图

图7：副转筒与机身连接箱连接示意图

图8：副转轴示意图

图9：机身连接副箱体示意图

图10：风叶未伸出主转筒的转子结构示意图

图11：风叶未伸出主转筒的转子结构正视图

图12：风叶未伸出主转筒的转子结构侧视图

图13：风叶未伸出主转筒的转子结构剖视图

图14：风叶伸出主转筒的转子结构示意图

图15：风叶伸出主转筒的转子结构侧视图

图16：风叶伸出主转筒的转子结构正视图

图17：风叶伸出主转筒的转子结构剖视图

图18：主转轴与主转筒内侧盖板连接示意图

图19：主转轴结构示意图

图20：主转筒内侧盖板连接件侧视图

图21：主转筒内侧盖板连接件剖视图

图22：主转筒内侧盖板正视图

图23：主转筒内侧盖板轴测图

图24：风叶与主转筒内侧盖板连接示意图

图25：主转筒内侧盖板风叶连接夹套示意图

图26：主转筒内侧盖板风叶连接夹套剖视图

图27：风叶结构示意图

图28：风叶结构正视图

图29：风叶与主转筒外侧盖板风叶连接夹套和主转筒内侧盖板风叶连接夹套连接示意图

图30：风叶与主转筒外侧盖板连接示意图

图31：主转筒外侧盖板轴测示意图一

图32：主转筒外侧盖板轴测示意图二

图33：主转筒外侧盖板与主转轴连接示意图一

图34：主转筒外侧盖板与主转轴连接示意图二

图35：主转筒正视图

图36：主转筒侧视图

图37：主转筒剖视图

图38：伺服控制电机、主转筒外侧盖板、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小齿轮配合连接示意图

图39：伺服控制电机、主转筒外侧盖板、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小齿轮配合连接侧视图

图40：伺服控制电机、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小齿轮配合连接后视图

图41：副转筒示意图

图42：转子用于产生升力时风叶位于主转筒内的示意图

图43：转子作为发电用时圆弧风叶段位于主转筒外的示意图

图44：马格纳斯效应转子用于产生升力时的示意图

图45：马格纳斯效应转子用于产生升力时的任务转换控制装置各部件连接示意图

图46：马格纳斯效应转子用于发电时的系统示意图

图47：马格纳斯效应转子用于发电时的任务转换控制装置各部件连接示意图

图48：滑轨、滑块牵连杆和箱体连接示意图

图49：箱体、箱体侧板与液压缸安装示意图

图50：主直线导轨、主滑块、驱动电机支座与作动筒连接示意图

图51：副直线导轨、副滑块、机座耳块与发驱动电机支座的连接示意图

图52：箱体示意图

图53：大齿轮与主转轴、转轴轴承安装位置示意图

图54：轴承卡套与主转轴、转轴轴承安装位置示意图

图55：箱体侧板示意图

图56：伸缩式液压缸示意图

图57：驱动电机支座示意图

图58：主滑块与副滑块示意图

图59：滑块牵连杆示意图

图60：发电机支座示意图

图61：机座耳块示意图

图62：发电机机座、机座耳块和滑轨连接示意图

图63：电转子支座示意图

其中：1.主转轴；2.主转筒内侧盖板连接件；3.主转筒；4.主转筒内侧盖板；5.风叶；6.主转筒外侧盖板连接件；7.主转筒外侧盖板；8.风叶收放控制小齿轮；9.风叶收放控制大齿轮；10.伺服控制电机；11.副转筒；12.盖板轴承；13.连接件轴筒；14.盖板连接部；15.轴承安装孔；16.主转筒内侧盖板风叶连接夹套；17.主转筒外侧盖板风叶连接夹套；18.风叶收放控制转轴；19.夹套U型夹槽；20.风叶连接夹套圆形凸台；21.风叶收放控制转轴；22.盖板凸盖；23.盖板凸台；24.盖板沉孔；25.平板风叶段；26.圆弧风叶段；27.风叶伸缩缝；28.风叶螺钉孔；29.风叶收放控制大齿轮空心轴套；30.盖板连接部螺钉孔；31.主转筒外侧盖板轴向连接螺钉；32.伺服控制电机连接螺钉；33.副转筒连接螺钉；34.主转筒连接螺钉；35.主转轴螺纹孔；36.连接件轴筒螺钉孔；37.盖板连接部螺钉孔；38.主转筒盖板螺纹孔；39.主转筒盖板中间通孔；40.风叶收放控制转轴通孔；41.盖板径向螺纹孔；42.风叶连接螺钉；43.伺服控制电机螺纹孔；44.轴套螺钉；45.主转筒螺钉孔；46.伺服电机安装螺；47.伺服控制电机轴；48.副转筒螺钉孔；49.箱体；50.箱体侧板；51.主直线导轨；52.主滑块；53.副直线导轨；54.副滑块；55.滑块牵连杆；57.驱动电机支座；58.主转轴驱动电机；59.小齿轮；60.大齿轮；61.电转子支座；62.转子磁轭与永久磁极；63.定子绕组与铁芯；64.发电机机座；65.箱体前壁板；66箱体后壁板；67.大齿轮套筒；68.主转轴轴承；69.主转轴卡筒；70.伸缩式液压缸；71.作动筒；72.机座耳块；73.球形铰球头；74.箱体底板；75.主转轴轴承安装孔；76.主转轴轴承限位凸台；77.滑轨安装螺纹孔；78.箱体侧板安装螺纹孔；79.液压缸安装螺钉孔；80.箱体侧板安装螺钉孔；81.滑块螺纹孔；82.球形铰安装孔；83.驱动电机支座加强筋；84.电机安装孔；85.作动筒连接螺钉孔；86.电机支座与滑块连接孔；87.大齿轮螺钉孔；88.发电机机座螺纹孔；89.尼龙球形铰套环；90.牵连杆杆件；91.电转子支座螺钉；93.电转子支座套筒凸台；94.机翼；95.机身；96.螺旋桨；97.平尾；98.垂尾；99.薄膜太阳能电池；101；机身连接副箱体；102.副转轴；103.转轴安装孔；104.机翼连接螺钉孔；105.机身与箱体连接螺钉孔；106.平尾安装槽；107.襟翼；108.副翼；109.机翼连接螺纹孔；110.副转轴轴筒；111.副转轴连接部。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1、附图2和附图3，本实施例中的安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机采用双机身布局，两个机身95外侧安装机翼94，两个机身之间安装有马格纳斯效应推进系统和尾翼，机身头部安装有螺旋桨推进器96；机翼上表面覆盖有薄膜太阳能电池99。本实施例中，两个马格纳斯效应推进系统一前一后横跨两个机身95之间安装。

马格纳斯效应推进系统包括马格纳斯效应转子和任务转换控制装置。

马格纳斯效应转子包括主转轴1、主转筒组件、六组风叶组件和风叶驱动组件。

所述主转筒组件包括主转筒3、主转筒内侧盖板4和主转筒外侧盖板7。参照附图18，主转筒内侧盖板4通过主转筒内侧盖板连接件2与主转轴1连接固定，主转筒外侧盖板7通过主转筒外侧盖板连接件6与主转轴1连接固定。参照附图19，主转轴1采用碳纤维复合材料制造，轴长1220mm，外径为40mm，壁厚3mm，在距其一端面182mm处开有一直径为6mm的螺纹通孔，用以与主转筒内侧盖板连接件2通过螺钉连接，在距其另一端面25mm处开有直径同样为6mm的另一螺纹通孔35，用以与主转筒外侧盖板连接件6连接。

参照附图20和附图21，主转筒内侧盖板连接件2采用铝合金材料制造，连接件2的轴筒13的内径与主转轴1的外径相同，壁厚3mm，长33mm，在轴筒13中部沿径向开有直径为6mm的螺钉孔通孔，用以通过螺钉连接套紧固定在主转轴1上；主转筒内侧盖板连接件2的盖板连接部14呈圆环形，厚度5mm，外径为75mm，并在直径为60mm的圆周上沿轴向开有4个直径为6mm的螺钉通孔37，用以与主转筒内侧盖板4上的主转筒盖板螺纹孔38通过螺钉连接，从而使得主转筒内侧盖板4与主转轴1的位置固定并套紧。

参照附图22、附图23、附图24、附图31、附图32、附图33和附图34，主转筒内侧盖板4和主转筒外侧盖板7均采用尼龙材料制造，呈圆板型，总厚度为20mm，其中用以挡住主转筒3的盖板凸盖22的厚度为5mm，直径为240mm，与主转筒的外径相同；盖板凸台23的厚度为15mm，直径为230mm，与主转筒3的孔径相同。在盖板凸台23距离中心半径为30mm的圆周上沿轴向开有4个直径为6mm的主转筒盖板螺纹孔38，用以与主转筒盖板通过螺钉连接。在盖板凸台23上半径为105mm的圆周上均布有6个直径为16mm、深度为6mm的轴承安装孔15，用以安放盖板轴承12，在每个轴承安装孔15的中心处又开有一个直径比盖板轴承12内径略大的风叶收放控制转轴通孔40，在盖板凸台23的环形侧壁上的轴向中部位置，有沿周向均布的6个直径为3mm，深度为8mm的盖板径向螺纹孔41，用以通过螺钉使得主转筒3固定套紧于其上。参照附图22和附图23，主转筒内侧盖板4的中心开有与主转轴1外径相同的主转筒盖板中间通孔，使得主转轴1得以穿过；而参照附图31和附图32，主转筒外侧盖板7的中心开的主转筒盖板中间通孔39孔径比主转轴1外径大6mm，使得套紧固定在主转轴1上的主转筒外侧盖板连接件6的连接件轴筒13得以穿过，进入主转筒3内部；而主转筒外侧盖板7的另一侧开有与盖板连接部14外径相同、深10mm的盖板沉孔24，使得主转筒外侧盖板连接件6的盖板连接部14能够沉入此孔，而用以连接盖板连接部14和主转筒外侧盖板7的主转筒外侧盖板轴向连接螺钉31的螺钉头不会凸出在主转筒外侧盖板7外部，便于伺服控制电机10在主转筒外侧盖板7上的安装。

参照附图35、附图36和附图37，主转筒3采用碳纤维复合材料制造，其内径为230mm，外径为240mm，长度为1000mm。距离主转筒3两端面7.5mm的壁面上沿周向分别均布有6个直径为6mm的螺钉通孔45，用以通过螺钉与主转筒内侧盖板4和主转筒外侧盖板7配合固定连接；在其壁面周向上还均布有6个沿轴向的风叶伸缩缝27，此风叶伸缩缝27距离主转筒3的轴向两端端面距离均为17mm，其长度为966mm，略长于风叶5的长度，宽度也略大于风叶5的厚度，使得风叶5可以通过此风叶伸缩缝进行伸出或收入主转筒3。

所述风叶组件包括风叶5和风叶夹套。参考附图27、附图28和附图29，风叶5采用碳纤维材料制造，厚度为3mm，风叶由平板风叶段25和圆弧风叶段26组成，其圆弧风叶段26的半径与平板风叶段25的宽度相同，使得在风叶收放控制转轴18转动时，圆弧风叶段26刚好沿其自身圆弧面做圆周运动，得以从主转筒3上的风叶伸缩缝27中伸出或收入，且圆弧风叶段26的圆弧面的扇形夹角为90°。在平板风叶段25的两端距离端面4mm处各开有两个风叶螺钉孔28，用以与主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17通过螺钉连接。

风叶夹套分为主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17。参照附图25、附图26、附图27，主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17均采用铝合金材料制造。如图25、图26所示，主转筒内侧盖板风叶连接夹套16一侧有U型夹槽19，槽深6.5mm，槽宽3mm，风叶5的平板风叶段两端分别卡在主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17的夹套U型夹槽19内；夹套U型夹槽19的一侧开有贯穿的螺纹孔，另一侧开有贯穿的光孔，通过风叶连接螺钉42与风叶5上的风叶螺钉孔28连接，从而固定风叶5。在夹套U型夹槽19的另一侧有一个比盖板轴承12内径略大的风叶连接夹套圆形凸台20，用以顶住盖板轴承12，风叶连接夹套圆形凸台20上有轴径与盖板轴承12内径相同的风叶收放控制转轴21，主转筒内侧盖板风叶连接夹套16上的风叶收放控制转轴21的长度比盖板轴承12的厚度大14mm，使得其与盖板轴承12紧密配合的同时端面刚好与主转筒内侧盖板4的一面平齐。而参照附图29和附图30，主转筒外侧盖板风叶连接夹套17上的风叶收放控制转轴21的长度比盖板轴承12的厚度大14mm，使得其与盖板轴承12紧密配合的同时，伸出主转筒外侧盖板7的长度为75mm，用以与风叶收放控制小齿轮8套紧配合，且风叶收放控制转轴21处于对应风叶的圆弧风叶段圆心位置处。通过上述连接方式，实现了风叶5的定位，且风叶5可跟随风叶收放控制转轴21转动而不碰着主转筒外侧盖板7和主转筒内侧盖板4。

参考附图38、附图39和附图40，伺服控制电机10通过伺服控制电机连接螺钉32固定连接在主转筒外侧盖板7上，可随主转筒外侧盖板7转动；伺服控制电机10的伺服控制电机轴47与风叶收放控制大齿轮9的风叶收放控制大齿轮空心轴套29通过螺钉套紧固定；六个风叶收放控制小齿轮8分别通过紧钉螺钉套紧固定于主转筒外侧盖板风叶连接夹套17上的风叶收放控制转轴18，并与风叶收放控制大齿轮9啮合配合。风叶收放控制小齿轮8和风叶收放控制大齿轮9的端面平齐，均采用碳钢制造，传动比为15。风叶收放控制大齿轮与主转筒同轴。

参照附图10和附图41，副转筒11采用碳纤维材料制造，呈筒状。副转筒11的筒深100mm，内径为240mm，壁厚3mm。在其靠近主转筒一侧、距离其端面5mm处的侧壁上沿周向均布有6个径向的副转筒螺钉孔48。这样，主转筒3和副转筒11通过螺钉连接固定套紧于主转筒外侧盖板7上，且副转筒11可以罩住风叶收放控制转轴18、风叶收放控制小齿轮8、和风叶收放控制大齿轮9、伺服控制电机10等位于主转筒3轴向外部的机构。

参照附图10、附图13、附图30、附图38和附图42，对各风叶5进行初始装配安装时，可通过伺服控制电机10对风叶5的转动角度进行微调，具体为：伺服控制电机10的电机轴转动一定角度，从而通过套紧于其上的风叶收放控制大齿轮9带动与其啮合配合的风叶收放控制小齿轮8转动，使得主转筒外侧盖板风叶连接夹套17的风叶收放控制转轴18转动，带动圆弧风叶段26绕着风叶收放控制转轴18的轴线转动一定角度，直到圆弧风叶段26的末端端面与风叶伸缩缝27的缝口平齐，然后伺服控制电机10的电机轴锁死，以使得风叶5位置固定。此时由于风叶5位于主转筒3内，该转子可作为推进器，根据马格纳斯效应，在有风条件下，当外部电机驱动主转轴1转动时在主转筒3和副转筒11上均可产生推力。

此后，参照附图14、附图17、附图30、附图38和附图43，当夜间需要利用风能进行发电时，伺服控制电机10的电机轴逆时针转动6°，由于风叶收放控制大齿轮9与风叶收放控制小齿轮9之间的传动比为15，则可使得每个风叶收放控制小齿轮8顺时针转动90°，从而使得每个风叶5的圆弧风叶段25均沿风叶伸缩缝27伸出主转筒3外，在风力驱动下带动主转筒3转动，从而带动套紧有发电转子的主转轴1转动，实现发电功能；反之，当需要再从发电模式转换为推进模式时，伺服控制电机反向转动6°，则可使得每个风叶收放控制小齿轮8逆时针转动90°，从而使风叶5的圆弧风叶段26收入主转筒3内，而圆弧风叶段26的末端端面与风叶伸缩缝27的缝口平齐，使其转变为产生升力的转子。这样就实现了本方案转子在产生升力和发电模式下的转换，满足不同状态下的需要。

所述任务转换控制装置包括箱体49、主直线导轨滑块机构、副直线导轨滑块机构、滑块牵连杆，主转轴驱动机构和发电机构。

参照附图52，箱体49采用铝合金材料制造，在其箱体前壁板65和箱体后壁板66上开有一个主转轴轴承安装孔75用于安放主转轴轴承68，且具有主转轴轴承限位凸台76，用以对主转轴轴承68一侧进行限位。箱体侧板螺纹安装孔78用以与箱体侧板50上的螺钉孔通过螺钉进行连接。参照附图55，箱体侧板50采用铝合金材料制造，在其两侧开有箱体侧板安装螺钉孔80，在其下部有液压缸安装螺钉孔79，用以将伸缩式液压缸70的缸体通过螺钉固定连接。

处于箱体内侧的主转轴上同轴固定有主转轴驱动机构的大齿轮以及发电机构的转子。参照附图53，大齿轮60采用合金钢制造，与主转轴1套紧并通过螺钉固定连接；其一端凸台顶在主转轴轴承68上；参照附图54，主转轴卡筒69采用碳纤维复合材料制造，通过螺钉与主转轴1套紧固定，其靠近箱体后壁板66的一端端面顶在主转轴轴承68上。通过上述方式即实现了主转轴1的轴向定位。参照附图51和附图63，电转子支座61采用碳纤维复合材料制成，转子磁轭与永久磁极62粘接固定在其环形外表面，且其轴向一侧伸出有电转子支座套筒凸台93，此电转子支座套筒凸台93上轴向中部开有一个径向贯穿的电转子支座螺钉孔91。电转子支座套筒凸台93与主转轴1套紧，并通过螺钉穿过电转子支座螺钉孔91与主转轴1上的螺纹孔配合连接，实现电转子支座61与主转轴1的固定连接。

参照附图48，主直线导轨滑块机构与副直线导轨滑块机构的导轨相互垂直，均处于箱体内；副直线导轨滑块机构的导轨方向与主转轴轴向平行。主直线导轨51和副直线导轨53均采用铝合金制造，相互垂直但不相交地安装在箱体49的箱体底板上，并且其上分别有可沿导轨方向滑动的主滑块52和副滑块54。其中，主直线导轨51与伸缩式液压缸70的轴线平行且处于其正下方，副直线导轨53与主转轴1轴线平行且处于其正下方。主直线导轨51和副直线导轨53开有沉头孔，并通过螺钉与箱体49箱体底板固定连接。

参照附图48和附图58，主滑块52和副滑块54相同，在其上表面开有四个滑块螺纹孔81，用以分别与驱动电机支座57底板上的螺钉孔和机座耳块72底板上的螺钉孔通过螺钉连接；并在主滑块52和副滑块54的上表面一侧边缘附近安装有球形铰球头73，用以与滑块牵连杆55上的球形铰配合。

主转轴驱动机构包括大齿轮60、小齿轮59、主转轴驱动电机58和伸缩式液压缸70。参照附图56，伸缩式液压缸56的缸体上有沿周向的四个螺钉孔，用于与箱体49连接；伸缩式液压缸70的作动筒71一端开有夹槽，且在此夹槽一侧开有螺钉孔，一侧开有螺纹孔，用以将驱动电机支座57上的作动筒连接孔85通过螺钉连接，从而使得驱动电机支座与作动筒71固定连接，可跟随作动筒71在水平方向上移动。

参照附图50和附图57，驱动电机支座57采用铝合金材料制造，其底板上开有四个螺钉孔，用以与主滑块52顶部的螺纹孔固定连接，从而可与主滑块52一起在主直线导轨51上滑动；驱动电机支座57上部开有四个螺钉孔，用以将驱动电机58上的螺纹孔固定连接，从而使主转轴驱动电机58固定在驱动电机支座57上。为了增加驱动电机支座57的承载刚度，在其竖直中心线两侧有加强筋83。小齿轮处于主转轴驱动电机的驱动轴端部，且当伸缩式液压缸推动主直线滑块沿主直线导轨运动时，小齿轮能够与大齿轮啮合配合。

发电机构包括转子和定子，定子通过发电机支座固定在副直线滑块上。参照附图51和附图60，呈环状的发电机机座64采用碳纤维复合材料制成，用来安装固定定子绕组与铁芯63，在其上开有两个发电机机座螺纹孔88；参照附图61，机座耳块72上表面有宽度与发电机机座64的宽度相同的夹槽，在夹槽两侧开有螺钉孔；参照附图62，将发电机机座64安放于机座耳块72的夹槽内，并在机座耳块72夹槽两侧通过螺钉固定连接；参照附图59和附图60，机座耳块72底板上也开有螺钉孔，并且通过螺钉使得机座耳块72与副滑块54固定连接。从而使得副滑块54移动时，发电机机座64及其内部的定子绕组与铁芯63也可以沿着副直线导轨53导轨方向移动。

滑块牵连杆两端与主直线滑块以及副直线滑块铰链配合。参照附图59，滑块牵连杆55由牵连杆杆件90和两个尼龙球形铰套环89组成。牵连杆杆件90采用合金钢制造，牵连杆杆件90与两端的尼龙球形铰套环89胶合固定在一起；参照附图46，两个尼龙轴承套环89分别与主滑块52和副滑块54上的球形铰球头73配合连接，从而使得主滑块52移动时带动副滑块54移动。

参照附图44和附图45，当伸缩式液压缸70的作动筒71进行伸缩时，可以带动驱动电机支座57在主直线导轨51上做往返滑动，改变主转轴驱动电机58上的小齿轮59与主转轴1上的大齿轮60的轴间距，从而实现两者啮合或者分开。由于滑块牵连杆55与两个滑块相连接，使得当作动筒71伸长从而使得主滑块52向靠近大齿轮60的方向滑动时，副滑块53在滑块牵连杆55的带动下向着远离大齿轮60的方向滑动，从而使得位于其上的定子绕组与铁芯63也远离转子磁轭与永久磁极62。当作动筒71达到最大行程时，驱动电机上的小齿轮59与大齿轮60刚好啮合，此时主转轴驱动电机58可以驱动主转轴1转动，带动外部马格纳斯效应转子在有来流情况下产生升力。反之，参照附图46和附图47，当作动筒71收缩从而使得主滑块52向远离大齿轮60的方向滑动时，小齿轮59与大齿轮60分开，副滑块54在滑块牵连杆55的带动下向着靠近大齿轮60的方向滑动，从而使得位于其上的定子绕组与铁芯63也靠近转子磁轭与永久磁极62。当作动筒71回到最小行程时，转子磁轭与永久磁极62刚好位于定子绕组与铁芯63内部，从而构成发电装置，此时外部马格纳斯效应转子在驱动下带动主转轴1转动，从而使得转子磁轭与永久磁极62在定子绕组与铁芯63内部转动，进行发电。这样，通过伸缩式液压缸70的作动筒71移动最小或最大行程即可实现马格纳斯效应转子产生升力或用于发电任务的转换。

参照附图3，用于安装马格纳斯效应系统任务转换控制装置的箱体49的底板与机身95通过螺钉连接固定。

参照附图4和附图5，机身95采用铝合金材料制造，机身95总长度为4m。在机身95的一侧侧壁上开有两个转轴安装孔103，用以使得主转轴1和副转轴102得以穿入机身95内部；参照附图5，机身95的一侧侧壁上还开有3个螺钉孔，用以与机翼94靠近机身根部处通过螺钉连接；参照附图5，机身95尾部开有横向贯穿的矩形平尾安装槽106，用以安装平尾97。

参照附图1、附图2，机翼94采用碳纤维复合材料制成，翼展3m，展弦比为1.5，根梢比为4。两个机翼94沿飞机对称面对称安装在两个机身95的外侧。参照附图1和附图6，机翼94后缘靠近机身处安装有襟翼107，后缘外侧安装有控制飞机滚转的副翼108；在机翼94靠近机身95的根部侧壁上开有3个机翼连接螺纹孔109，用以通过螺钉与机身95的侧壁连接。

参照附图1和附图2，机翼94的上表面覆盖有薄膜太阳能电池99，在日间吸收太阳能蓄电。

参照附图7，副转筒11外部通过螺钉连接固定有一个副转轴102；参照附图8，副转轴102采用铝合金材料制造，副转轴轴筒110的内径与主转轴1的内径相同，壁厚3mm，长33mm，在轴上有两个沿径向的直径为6mm的螺纹孔通孔；参照附图9，副转轴102通过螺钉将转轴卡筒69套紧固定，两个转轴卡筒69端面顶在机身连接副箱体101两个侧壁板上的轴承上，使得轴承和副转轴均得以限位；副转轴102的副转轴连接部111呈圆环形，厚度5mm，外径为75mm，并在直径为60mm的圆周上沿轴向开有4个直径为6mm的螺钉通孔，用以与副转筒11上的螺纹孔通过螺钉固定连接。

参照附图9，机身连接副箱体101采用铝合金材料制造，在其箱体壁板内侧开有一个转轴轴承安装孔75用于安放转轴轴承68，且具有转轴轴承限位凸台76，用以对转轴轴承68一侧进行限位。箱体底部开有螺钉孔用以与机身95底部连接。

参照附图1和附图2，螺旋桨96采用碳纤维复合材料制造，每个螺旋桨96具有三个桨叶，桨径为0.8m；两个螺旋桨96分别安装在左右两个机身95的头部位置，为无人机飞行提供拉力。

参照附图1和附图2，尾翼包括平尾97和垂尾98，平尾97采用碳纤维复合材料制造，两端分别粘接在机身95尾部的平尾安装槽106内；垂尾98采用碳纤维复合材料制成，三个垂尾等距安装在平尾97的中部位置。

参照附图1和附图2，本实施例中的高空无人机工作原理如下：无人机起降时，马格纳斯效应系统工作在升力模式下，马格纳斯效应转子工作在高转速下，为无人机提供较大升力，从而实现短距起降；在高空巡航过程中，白天时，马格纳斯效应系统作为升力装置，马格纳斯效应系统的任务转换装置驱动马格纳斯效应转子转动，与机翼94一起为飞行提供升力，当无人机高速飞行时，机翼94升力较大，此时将马格纳斯效应转子控制在较低转速；当无人机需要执行低速巡航侦查等任务时，机翼94升力较小，将马格纳斯效应转子的转速提高，马格纳斯效应转子为飞行提供主要升力。机翼94上的薄膜太阳能电池用以在白天吸收太阳能并储存。夜间，无人机飞行所需升力完全由机翼94提供，马格纳斯效应系统作为风力发电装置，风叶5伸出主转筒3，马格纳斯效应系统的任务转换装置工作在发电模式，在高空稳定风力作用下进行发电，电能一部分用于夜间飞行动力所需，一部分储存。这样，马格纳斯效应系统在日间作为升力装置时，无人机具备以极低速度巡航侦查的能力；而马格纳斯效应系统在夜间作为风力发电装置时，无人机又可充分利用高空风能，为无人机提供充足的能源保障。

Claims (1)

1.一种安装马格纳斯效应推进系统的高空无人机，其特征在于：采用双机身布局，两个机身外侧安装机翼，两个机身之间安装有马格纳斯效应推进系统和尾翼，机身头部安装有螺旋桨推进器；机翼上表面覆盖有薄膜太阳能电池；

所述马格纳斯效应推进系统包括马格纳斯效应转子和任务转换控制装置；任务转换控制装置安装在机身内；

所述马格纳斯效应转子包括主转轴、主转筒组件、若干组风叶组件和风叶驱动组件；

所述主转筒组件包括主转筒和两个主转筒盖板；主转筒两端分别与主转筒盖板固定连接；主转筒侧面开有若干轴向的风叶伸缩缝，风叶伸缩缝个数与风叶组件个数相同；两个主转筒盖板与主转轴同轴固定连接；两个主转筒盖板的内侧端面上开有若干风叶夹套安装孔；

所述风叶组件包括风叶和风叶夹套；所述风叶由平板风叶板和圆弧风叶板组成，平板风叶板的宽度等于圆弧风叶板的圆弧半径；平板风叶板两端固连风叶夹套，风叶夹套与风叶夹套安装孔转动配合，其中风叶夹套的转动轴处于对应圆弧风叶板的圆弧圆心位置；当风叶夹套绕转动轴转动时，风叶夹套带动圆弧风叶板沿自身圆弧在主转筒侧面对应的风叶伸缩缝内伸缩；

所述风叶驱动组件包括驱动电机和主齿轮；驱动电机安装在一个主转筒盖板的外侧端面，驱动电机驱动主齿轮转动，主齿轮与主转筒同轴；主齿轮与所有风叶夹套转动轴端部的从动齿轮啮合配合；

所述任务转换控制装置包括箱体、主直线导轨滑块机构、副直线导轨滑块机构、滑块牵连杆，主转轴驱动机构和发电机构；箱体对主转轴的伸出段轴向定位，且主转轴能够自由转动；处于箱体内侧的主转轴上同轴固定有主转轴驱动机构的大齿轮以及发电机构的转子；

主直线导轨滑块机构与副直线导轨滑块机构的导轨相互垂直，均处于箱体内；副直线导轨滑块机构的导轨方向与主转轴轴向平行；

主转轴驱动机构包括大齿轮、小齿轮、主转轴驱动电机和伸缩式液压缸，伸缩式液压缸固定在箱体上，驱动主直线滑块沿主直线导轨运动，主转轴驱动电机通过电机支座固定在主直线滑块上，小齿轮处于主转轴驱动电机的驱动轴端部，且当伸缩式液压缸推动主直线滑块沿主直线导轨运动时，小齿轮能够与大齿轮啮合配合；

发电机构包括转子和定子，定子通过发电机支座固定在副直线滑块上；

滑块牵连杆两端与主直线滑块以及副直线滑块铰链配合；当伸缩式液压缸推动主直线滑块沿主直线导轨运动时，滑块牵连杆带动副直线滑块沿副直线导轨运动，且当小齿轮与大齿轮啮合配合时，滑块牵连杆推动发电机构的定子与转子沿轴向分离；当小齿轮与大齿轮分离时，滑块牵连杆拉动发电机构的定子与转子轴向组合。