CN103587687A - 一种π型全翼式太阳能无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种π型全翼式太阳能无人机,包括内翼和外翼;内翼为矩形两侧接梯形的八角双梯形结构,内翼弦平面相对水平面安装角为7~8度,上反角为0度;外翼为等弦长矩形机翼,外翼弦平面相对水平面安装角为6度,上反角为6度;在内翼和外翼上铺设单晶硅太阳能电池;内翼后缘有全翼展纵向操纵舵面;内外翼交接处下方分别布置一个垂直于水平面的梯形立板,立板的前缘与外翼的前缘在同一平面,立板后缘布置全展长矩形方向舵;沿两立板下端面安装滑跑轮槽,滑跑轮槽支撑前轮及后轮,前轮转轴位置与内翼前缘齐平。气动特性和飞行性能验算和飞行试验结果表明,无人机能够满足飞行所需的太阳能采集能力,并提供3000米以下低空飞行所需要的气动效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能无人机设计技术领域,具体为一种π型全翼式太阳能无人机。
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,太阳能无人机气动外形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,为此,能源高效铺设和高气动效率的气动外形尤为重要。目前,国内都是采用正常式气动外形,国外公开的太阳能飞机外形有正常式布局(如:瑞士的“太阳脉动”,美国的“西风”),全翼式布局(如:美国的“太阳神”)。无论是哪种气动外形,其气动外形的三维配置参数和所采用的翼型都是技术核心和秘密,不予公开。
发明内容
要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是:(1)按目前太阳能电池可达到的转换效率21%,在平均800w/m2的正常照度下,提供满足飞行所需的太阳能采集能力;(2)按目前电机可达到的效率90%和螺旋桨可达到的效率70%,提供3000米以下低空飞行所需要的足够的气动效率。
技术方案
本发明提出的π型全翼式太阳能无人机,通过增大翼面积增加光伏电池的铺设效率,通过大展弦比外翼增加气动效率,通过八角贝壳式内翼翼面增加光伏电池铺设效率和纵向操纵效率,通过π型布局提高航向稳定性和起降特性。
本发明的技术方案为:
所述一种π型全翼式太阳能无人机,其特征在于:包括内翼和外翼;内翼为矩形两侧接梯形的八角双梯形结构,内翼展向最大长度为1350~1450mm,弦向最大长度为1200~1220mm,内翼前缘和后缘长度相等为800~850mm,内翼弦平面相对水平面安装角为7~8度,上反角为0度;两片外翼分别固定连接在内翼两侧梯形的底边,外翼为弦长350~450mm的等弦长矩形机翼,外翼弦平面相对水平面安装角为6度,上反角为6度;在内翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池,单侧外翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池;内翼后缘布置有弦长为180~190mm的全翼展纵向操纵舵面;内外翼交接处下方分别布置一个垂直于水平面的梯形立板,立板前缘及后缘的掠角为0度,立板的翼型为NACA0012,立板的前缘与外翼的前缘在同一平面,立板弦长600~630mm,距立板后缘200~250mm布置全展长矩形方向舵;沿两立板下端面安装滑跑轮槽,滑跑轮槽支撑前轮及后轮,前轮转轴位置与内翼前缘齐平,前后轮弦向距离430~440mm,两个后轮的展向距离1750~1850mm。
所述一种π型全翼式太阳能无人机,其特征在于:内翼和外翼的翼型参数为:相对厚度为11~13%,最大弯度为2%~4%,最大弯度所在弦向位置为25~30%。
有益效果
本发明经过气动特性验算、飞行性能验算和飞行试验,下面给出了飞机气动特性与性能验算结果,包括:全机升力特性、全机升阻比、全机俯仰力矩特性、飞行包线,以及飞行试验的速度、高度:
图1至图6给出了内翼、外翼以及无人机的气动特性,结果表明,在巡航设计点升力系数CL=0.6附近全机升阻比达到最大15.5(图4),且在巡航点满足Cm=0,即实现纵向力矩巡航自配平(图6)。
图7给出了飞行性能验算结果,当飞行速度11-14m/s,需求功率为300-400W。图8给出了太阳能采集能源输出匹配结果,图7、图8表明,光照度800W/m2以上,即可满足平飞的功率需求。
附图说明
图1内翼的升阻比-迎角曲线;
图2外翼的升阻比-迎角曲线;
图3无人机的升力系数-迎角曲线;
图4无人机的升阻比-升力系数曲线;
图5无人机的俯仰力矩-迎角曲线;
图6无人机的俯仰力矩-升力系数曲线;
图7不同速度平飞功率需求;
图8不同光照度下太阳能采集能量的输出;
图9无人机的结构示意图;
图10无人机俯视图。
其中:1、外翼;2、内翼;3、立板;4、滑轮;5、升降舵;6、方向舵;7、左外翼太阳能电池组;8、内翼太阳能电池组;9、右外翼太阳能电池组。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明:
参照附图9,本实施例中的π型全翼式太阳能无人机包括内翼2和外翼1,内翼为矩形两侧接梯形的八角双梯形结构,内翼展向最大长度为1400mm,弦向最大长度为1210mm,内翼前缘和后缘长度相等为840mm,内翼弦平面相对水平面安装角为8度,上反角为0度,内翼后缘布置有弦长为182mm全翼展舵面5,作为纵向操纵。两片外翼分别固定连接在内翼两侧梯形的底边,外翼弦长400mm的等弦长矩形机翼,展长7000mm。外翼弦平面相对水平面安装角为6度,上反角为6度。
内外翼交接处下方分别布置一个垂直于水平面的梯形立板,立板前缘及后缘的掠角为0度,立板的翼型为标准对称翼型NACA0012,立板的前缘与外翼的前缘在同一平面,立板高度为450mm,立板弦长600mm,距立板后缘200mm布置全展长矩形方向舵6。
沿两立板下端面安装滑跑轮槽,滑跑轮槽支撑前轮及后轮,前轮转轴位置与内翼前缘齐平,前后轮弦向距离431mm,两个后轮的展向距离1800mm。
内翼采用低雷诺数高升力特性翼型,最大升阻比65,绕1/4弦长处的力矩系数大于0,最大升力系数1.5,相对厚度11%。
本实施例中的内翼翼型参数数据为:
表1内翼翼型数据
x | y | x | y |
1 | 0.00132 | 0 | 0 |
0.99656 | 0.00136 | 0.00008 | -0.00132 |
0.99064 | 0.00148 | 0.00028 | -0.00351 |
0.98382 | 0.00165 | 0.00061 | -0.00475 |
0.97619 | 0.00191 | 0.00108 | -0.00551 |
0.96804 | 0.00223 | 0.00169 | -0.00717 |
0.95957 | 0.00263 | 0.00243 | -0.00876 |
0.95089 | 0.00309 | 0.00331 | -0.00992 |
0.94208 | 0.00363 | 0.00433 | -0.01111 |
0.9332 | 0.00422 | 0.00549 | -0.0124 |
0.92429 | 0.00489 | 0.0068 | -0.01363 |
0.91536 | 0.0056 | 0.00827 | -0.01478 |
0.90642 | 0.00638 | 0.00991 | -0.01594 |
0.89745 | 0.00724 | 0.01174 | -0.0171 |
0.88846 | 0.00814 | 0.01379 | -0.01825 |
0.87944 | 0.00911 | 0.01611 | -0.01943 |
0.87039 | 0.01012 | 0.01873 | -0.02063 |
0.86132 | 0.01118 | 0.02172 | -0.02185 |
0.85222 | 0.01228 | 0.02516 | -0.02312 |
0.84311 | 0.01343 | 0.02911 | -0.02443 |
0.83398 | 0.0146 | 0.03365 | -0.02577 |
0.82482 | 0.01582 | 0.03886 | -0.02714 |
0.81566 | 0.01706 | 0.04475 | -0.02852 |
0.80648 | 0.01832 | 0.0513 | -0.02987 |
0.79728 | 0.01961 | 0.05844 | -0.03118 |
0.78807 | 0.02094 | 0.06606 | -0.03239 |
0.77886 | 0.02226 | 0.07407 | -0.0335 |
0.76964 | 0.02361 | 0.08236 | -0.03451 |
0.76041 | 0.02497 | 0.09085 | -0.03542 |
0.75119 | 0.02636 | 0.0995 | -0.03624 |
0.74196 | 0.02776 | 0.10828 | -0.03695 |
0.73273 | 0.02918 | 0.11715 | -0.03758 |
0.7235 | 0.0306 | 0.12609 | -0.03813 |
0.71425 | 0.03205 | 0.13508 | -0.03863 |
0.70499 | 0.03352 | 0.14413 | -0.03904 |
0.69572 | 0.03499 | 0.15322 | -0.03939 |
0.68643 | 0.03647 | 0.16234 | -0.03968 |
0.67713 | 0.03796 | 0.17149 | -0.03992 |
0.66782 | 0.03947 | 0.18068 | -0.04013 |
0.6585 | 0.04098 | 0.18989 | -0.04027 |
0.64918 | 0.04248 | 0.19912 | -0.04038 |
0.63987 | 0.04397 | 0.20838 | -0.04045 |
0.63057 | 0.04547 | 0.21765 | -0.04049 |
0.62129 | 0.04695 | 0.22694 | -0.04049 |
0.61202 | 0.04841 | 0.23625 | -0.04045 |
0.60277 | 0.04986 | 0.24557 | -0.0404 |
0.59354 | 0.0513 | 0.25491 | -0.04032 |
0.58431 | 0.05271 | 0.26425 | -0.04021 |
0.5751 | 0.0541 | 0.2736 | -0.04008 |
0.5659 | 0.05546 | 0.28296 | -0.03991 |
0.55671 | 0.05682 | 0.29232 | -0.03975 |
0.54752 | 0.05814 | 0.30169 | -0.03956 |
0.53834 | 0.05943 | 0.31107 | -0.03934 |
0.52916 | 0.06069 | 0.32045 | -0.03911 |
0.51999 | 0.06193 | 0.32983 | -0.03887 |
0.51083 | 0.06314 | 0.33922 | -0.03861 |
0.50167 | 0.06433 | 0.34862 | -0.03833 |
0.49251 | 0.06547 | 0.35801 | -0.03804 |
0.48336 | 0.06658 | 0.36741 | -0.03774 |
0.47422 | 0.06768 | 0.37682 | -0.03744 |
0.46509 | 0.06873 | 0.38622 | -0.03711 |
0.45597 | 0.06974 | 0.39563 | -0.03677 |
0.44686 | 0.07071 | 0.40504 | -0.03644 |
0.43776 | 0.07165 | 0.41446 | -0.03608 |
0.42867 | 0.07254 | 0.42387 | -0.03573 |
0.41959 | 0.07338 | 0.43328 | -0.03535 |
0.41051 | 0.07419 | 0.4427 | -0.03499 |
0.40145 | 0.07494 | 0.4521 | -0.0346 |
0.39239 | 0.07566 | 0.46151 | -0.0342 |
0.38334 | 0.07631 | 0.47091 | -0.03379 |
0.3743 | 0.07692 | 0.48032 | -0.03339 |
0.36526 | 0.07749 | 0.48972 | -0.03297 |
0.35624 | 0.078 | 0.49912 | -0.03254 |
0.34722 | 0.07845 | 0.50854 | -0.03211 |
0.33822 | 0.07885 | 0.51795 | -0.03165 |
0.32923 | 0.0792 | 0.52736 | -0.03121 |
0.32026 | 0.07949 | 0.53678 | -0.03076 |
0.3113 | 0.07971 | 0.5462 | -0.03029 |
0.30237 | 0.07986 | 0.55562 | -0.02982 |
0.29345 | 0.07996 | 0.56504 | -0.02936 |
0.28455 | 0.07998 | 0.57446 | -0.02888 |
0.27567 | 0.07994 | 0.58389 | -0.0284 |
0.2668 | 0.07982 | 0.5933 | -0.02792 |
0.25796 | 0.07962 | 0.60271 | -0.02744 |
0.24914 | 0.07935 | 0.61212 | -0.02695 |
0.24033 | 0.07899 | 0.62151 | -0.02646 |
0.23155 | 0.07857 | 0.6309 | -0.02596 |
0.22279 | 0.07804 | 0.64028 | -0.02546 |
0.21405 | 0.07744 | 0.64966 | -0.02494 |
0.20532 | 0.07675 | 0.65904 | -0.02441 |
0.19661 | 0.07597 | 0.66843 | -0.02388 |
0.18791 | 0.07509 | 0.67782 | -0.02336 |
0.17923 | 0.07412 | 0.6872 | -0.02282 |
0.17059 | 0.07308 | 0.69658 | -0.02228 |
0.16197 | 0.07194 | 0.70593 | -0.02174 |
0.1534 | 0.07068 | 0.71526 | -0.0212 |
0.14488 | 0.06934 | 0.72458 | -0.02063 |
0.13641 | 0.0679 | 0.73387 | -0.02006 |
0.12799 | 0.06635 | 0.74316 | -0.01946 |
0.11965 | 0.06469 | 0.75245 | -0.01886 |
0.11139 | 0.06291 | 0.76174 | -0.01823 |
0.10322 | 0.06103 | 0.77103 | -0.0176 |
0.09517 | 0.05904 | 0.78033 | -0.01694 |
0.08727 | 0.05692 | 0.78963 | -0.01627 |
0.07954 | 0.05468 | 0.79894 | -0.01559 |
0.07201 | 0.05232 | 0.80826 | -0.01489 |
0.06474 | 0.04987 | 0.81759 | -0.01419 |
0.05778 | 0.04732 | 0.82693 | -0.01348 |
0.05118 | 0.04469 | 0.83629 | -0.01276 |
0.04501 | 0.04201 | 0.84566 | -0.01203 |
0.03932 | 0.03933 | 0.85505 | -0.0113 |
0.03416 | 0.03668 | 0.86445 | -0.01058 |
0.02955 | 0.03411 | 0.87386 | -0.00987 |
0.02547 | 0.03164 | 0.88326 | -0.00917 |
0.02189 | 0.02928 | 0.89267 | -0.00847 |
0.01875 | 0.02705 | 0.90207 | -0.00778 |
0.01602 | 0.02494 | 0.91147 | -0.00712 |
0.01362 | 0.02294 | 0.92086 | -0.00645 |
0.01153 | 0.02104 | 0.93023 | -0.0058 |
0.00969 | 0.01923 | 0.93957 | -0.00515 |
0.00807 | 0.01751 | 0.94884 | -0.00454 |
0.00665 | 0.01588 | 0.95798 | -0.00394 |
0.00539 | 0.01422 | 0.9669 | -0.00336 |
0.00429 | 0.01258 | 0.97549 | -0.00281 |
0.00333 | 0.01111 | 0.98348 | -0.00232 |
0.00251 | 0.00978 | 0.99053 | -0.00189 |
0.0018 | 0.00813 | 0.99655 | -0.00153 |
0.00122 | 0.00635 | 1 | -0.00132 |
0.00075 | 0.00527 | ||
0.00039 | 0.00443 | ||
0.00015 | 0.00246 | ||
0.00002 | 0.00052 |
外翼采用低雷诺数高升力特性翼型,最大升阻比69,绕1/4弦长处的力矩系数大于-0.01,最大升力系数1.6,相对厚度12%。
本实施例中的外翼翼型参数数据为:
表2外翼翼型数据
x | y | x | y |
1.00000 | 0.00132 | 0.00000 | 0.00000 |
0.99656 | 0.00136 | 0.00008 | -0.00132 |
0.99064 | 0.00148 | 0.00028 | -0.00351 |
0.98382 | 0.00165 | 0.00061 | -0.00475 |
0.97619 | 0.00191 | 0.00108 | -0.00551 |
0.96804 | 0.00223 | 0.00169 | -0.00717 |
0.95957 | 0.00263 | 0.00243 | -0.00876 |
0.95089 | 0.00309 | 0.00331 | -0.00992 |
0.94208 | 0.00363 | 0.00433 | -0.01111 |
0.93320 | 0.00422 | 0.00549 | -0.01240 |
0.92429 | 0.00489 | 0.00680 | -0.01363 |
0.91536 | 0.00560 | 0.00827 | -0.01478 |
0.90642 | 0.00638 | 0.00991 | -0.01594 |
0.89745 | 0.00724 | 0.01174 | -0.01710 |
0.88846 | 0.00814 | 0.01379 | -0.01825 |
0.87944 | 0.00911 | 0.01611 | -0.01943 |
0.87039 | 0.01012 | 0.01873 | -0.02063 |
0.86132 | 0.01118 | 0.02172 | -0.02185 |
0.85222 | 0.01228 | 0.02516 | -0.02312 |
0.84311 | 0.01343 | 0.02911 | -0.02443 |
0.83398 | 0.01460 | 0.03365 | -0.02577 |
0.82482 | 0.01582 | 0.03886 | -0.02714 |
0.81566 | 0.01706 | 0.04475 | -0.02852 |
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0.00333 | 0.01111 | 0.98348 | -0.00232 |
0.00251 | 0.00978 | 0.99053 | -0.00189 |
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0.00122 | 0.00635 | 1.00000 | -0.00132 |
0.00075 | 0.00527 | ||
0.00039 | 0.00443 | ||
0.00015 | 0.00246 | ||
0.00002 | 0.00052 |
在内翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池,作为一组,构成输出电压20v。左右外翼各铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池,形成两组。内外翼三组并联,按目前光伏电池转换效率21%,在太阳照度800w/m2情况下,可采集到315w,满足12m/s速度飞行推进所需的300w功率要求,可以实现完全依赖太阳能驱动飞行。
Claims (2)
1.一种π型全翼式太阳能无人机,其特征在于:包括内翼和外翼;内翼为矩形两侧接梯形的八角双梯形结构,内翼展向最大长度为1350~1450mm,弦向最大长度为1200~1220mm,内翼前缘和后缘长度相等为800~850mm,内翼弦平面相对水平面安装角为7~8度,上反角为0度;两片外翼分别固定连接在内翼两侧梯形的底边,外翼为弦长350~450mm的等弦长矩形机翼,外翼弦平面相对水平面安装角为6度,上反角为6度;在内翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池,单侧外翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池;内翼后缘布置有弦长为180~190mm的全翼展纵向操纵舵面;内外翼交接处下方分别布置一个垂直于水平面的梯形立板,立板前缘及后缘的掠角为0度,立板的翼型为NACA0012,立板的前缘与外翼的前缘在同一平面,立板弦长600~630mm,距立板后缘200~250mm布置全展长矩形方向舵;沿两立板下端面安装滑跑轮槽,滑跑轮槽支撑前轮及后轮,前轮转轴位置与内翼前缘齐平,前后轮弦向距离430~440mm,两个后轮的展向距离1750~1850mm。
2.根据权利要求1所述一种π型全翼式太阳能无人机,其特征在于:内翼和外翼的翼型参数为:相对厚度为11~13%,最大弯度为2%~4%,最大弯度所在弦向位置为25~30%。
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