CN104309804A - 一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，通过在上下层旋翼上铺设太阳能电池，以及飞行器中心部分安装斯特林电机，真正将太阳能光热一体化发电技术运用到碟式飞行器的设计中，为解决碟式飞行器能源问题提供了一个很好的方案。桨叶上的太阳能电池在满足气动特性需求的同时，将太阳能转化为电能为飞行器提供能源，同时旋转的桨叶可以使太阳能电池有效的散热，提高了工作效率。上下两层旋翼的布局沿不同方向旋转可以抵消扭矩。通过聚光装置，给斯特林电机提供热源，同时从旋翼引气作为冷源，可以有效地进行热电转化，为系统提供能源。此外，通过运用总距、变距以及航向操纵技术，可以有效提高碟式飞行器的机动性。

Description

一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器

一、技术领域：

本发明提供一种碟式太阳能飞行器研制方案，属于新概念航空航天器系统技术领域。 

二、背景技术：

常规飞行器通过调整舵面(翼面)的偏转控制气动力来实现飞行控制，而碟式飞行器呈圆盘形，是一种无尾无舵、翼身完全融合的非常规飞行器。垂直起降或悬停时，它依靠上下层桨叶的旋转产生升力，两层桨叶以不同的方向旋转以抵消扭矩；平飞时，依靠喷气发动机产生推力。而碟式飞行器的控制通常由变质量矩控制和推力矢量控制结合来完成。碟式飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构紧凑，易于控制。相对其他类型的飞行器而言，碟式飞行器兼具良好的平飞性能和垂直起降性能，能产生更大的升力。这些优势决定了其具有广泛的应用领域，不但具有一般战场需要的各种作战功能，比如对目标区域的定点监测，为其他作战武器指示目标等，甚至可以作为投放武器的载体。 

传统的碟式飞行器的设计方案大多都是采用燃油作为飞行器的动力源，即通过将机载燃油供给桨叶推动发动机和喷气发动机，相应的在垂直起降时产生升力和在平飞时产生推力。考虑到飞行器的结构重量以及空间大小，机体所装载的燃油必然有限，这就限制了碟式飞行器长航时飞行。近年来，太阳能技术迅速发展，包括光电转化技术以及热电转化技术都已成为现实。可以将太阳能发电应用技术与飞行平台相结合，从而为解决碟式飞行器留空时间短问题提供一种思路。 

为此，通过将太阳能光热一体化发电技术运用到碟式飞行器上，本发明提供一种可实现长时留空飞行的、新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器设计方案。 

三、发明内容：

(1)目的：本发明提供一种可实现长时留空飞行的、新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器设计方案，该方案将太阳能光热一体化发电技术运用到碟式飞行器的设计中，实现对太阳能最大能量的获取，可以解决传统碟式飞行器设计方案留空时间短这一致命缺陷，从而将碟式飞行器的应用优势得到充分发挥。此外，将直升机中总距、变距以及航向操纵技术运用到碟式飞行器中，增加其机动性能。 

(2)技术方案：碟式飞行器舱体的中下部安装能量密度高的储能电池和其他飞行载荷；舱体与外端间的空间放置铺设有太阳能电池的桨叶，分为上下两层(上层上表面铺设，下层下表面铺设)，两层桨叶分别向相反的方向旋转以抵消扭矩。桨叶属于动部件，而位于中间部位的舱体、外端防护和导轨圈属于定部件。此外，舱体中上部加装碟式太阳能热发电装置(利用斯特林机进行热收集和热发电)，进而实现平台对太阳能光电、热电的综合利用。此外，将直升机中的总距操纵、变距操纵以及航向操纵技术运用到碟式飞行器中，使各个桨叶的安装角处于受控状态，从而实现控制碟式飞行器飞行姿态的操作。 

上述方案充分利用了旋叶的气动面铺设太阳能电池，既满足气动需要，又在相对运动过程中使太阳能电池片表面有效散热，进而提高太阳能电池的输电能力。进一步，利用导电滑环将太阳能电池产生的电能收集到中间的储能电池上或直接为载荷供电。此外，利用中间舱体的圆形整流罩结构，采用斯特林机进行太阳能热发电，实现了太阳能光热发电一体化，可最大限度的输出太阳能。对于无尾无舵的碟式飞行器，直升机上总距、变距以及航向操纵技术的应用可以增加其机动性能。 

所述的舱体和外端防护等定部件由轻质结构构成，通常为复合材料。 

所述的铺设太阳能电池的桨叶是在指在满足气动要求的前提下，在传统的桨叶上铺设太阳能电池片。旋转的桨叶在产生升力的同时，对电池片进行散热，从而更好的进行光电转化。 

该电池片具有一定的弯曲度，通常为薄膜硅基太阳能电池。 

其中，上层桨叶上表面铺设的太阳能电池主要接收太阳光的直射，产生主要的电能。 

其中，下层桨叶下表面铺设的太阳能电池主要接收地面的反射以及太阳光 的折射。 

所述的斯特林机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。受热蒸发的膨胀气体(氢气或氦)作为动力气体使活塞运动带动电机发电，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。 

该斯特林机通常分为以下五个部分：热腔，加热器，回热器，冷却器和冷腔。热腔和加热器处于循环的高温部分，因此通常称它们为热区；冷腔和冷却器处于循环的低温部分，称为冷区。 

其中，热腔中的加热器在本发明中就是光照，即通过聚光装置将太阳光聚集形成热源，给热腔里面的工质加热。 

其中，冷腔中的冷却器在本发明中可以借鉴民航发动机中从压气机中引气冷却的原理，即从旋转的桨叶中引气，给冷腔中的工质冷却。 

其中，热腔中的活塞和冷腔中的活塞通过一个机构相连接，按照一定的规律带动电机发电。 

所述的圆形整流罩是一种透明结构，内部是碟式聚光装置。该整流罩不仅满足气动要求，而且透光率在90％以上。 

所述的总距、变距和航向操纵技术已经在直升机上得到普遍应用。本发明可以借助直升机的操纵系统，即通过总距操纵来实现碟式飞行器的升降，通过变距操纵来实现碟式飞行器的前后左右运动，通过航向操纵来改变碟式飞行器的飞行方向。 

其中，总距操纵是指同时增大或减小各个桨叶的安装角，从而改变旋翼拉力的大小，实现碟式飞行器的升降。 

其中，变距操纵是指周期性的改变碟式飞行器桨叶的安装角，使拉力向飞行器运动方向倾斜，从而实现纵向(包括俯仰)及横向(包括滚转)运动。 

其中，航向操纵是指改变碟式飞行器上下层旋翼的总距，通过上下层旋翼总距差动产生不平衡扭矩来实现航向操纵。 

进一步发展的是，在碟式飞行器上安装MPPT，即最大功率跟踪器，使桨叶上的太阳能电池始终在最大功率跟踪点工作，使太阳能最大限度的为碟式飞行器提供能量。 

本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其基本设计方案如下： 

1.结合预设的技术参数和任务参数(包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器进行概念设计，确定飞行器的初始尺寸，并对设计方案进行论证以及仿真验证； 

2.对碟式飞行器气动外形进行分析，此外，根据飞行器升阻比特性来确定桨叶的形状； 

3.与此同时，在上层桨叶的上表面和下层桨叶的下表面铺设太阳能电池，并分析桨叶的气动特性是否满足要求； 

4.进行舱体、外端防护以及导轨圈的设计，舱体和外端防护采用轻质材料，尽可能的减轻机体重量。导轨圈的设计与导电滑环的设计相配合； 

5.进行桨叶安装角驱动电机的设计，保证每个桨叶的安装角都处于受控状态，且都能转到预设的角度； 

6.与此同时，对桨叶安装角的控制电路进行设计，保证碟式飞行器能很好的实现总距、变距以及航向操纵，此外，将桨叶安装角控制器进行模块化处理； 

7.对斯特林发电机进行设计，包括聚光装置、发电机、工质的选择、密封措施、散热片； 

8.与此同时，考虑如何有效的从旋翼引气来冷却工质； 

9.进行储能电池的安装，选择高能量密度的锂电池，根据能量平衡的计算，合理选择锂电池的重量； 

10.与此同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡。因为对于太阳能飞行器，储能电池的质量将占到机身总重量的一半左右； 

11.进行整个系统的总装工作。包括碟式飞行器的舱体、外端防护、导电滑环、桨叶安装角驱动模块、上下层旋翼、斯特林机以及储能电池； 

12.与此同时，进行各个模块之间的电路连接以及软硬件的结合； 

13.最后，对整个新型碟式布局的太阳能飞行器进行飞行试验验证。 

(3)优点及功效：本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，通过在上下层旋翼上铺设太阳能电池，以及在飞行器中心部分安装斯特林机，真正将太阳能光热一体化发电技术运用到碟式飞行器的设计中，为解决碟式飞行器能 源问题提供了一个很好的方案。桨叶上的太阳能电池在满足气动特性需求的同时，将太阳能转化为电能为飞行器提供能源，同时旋转的桨叶可以使太阳能电池有效的散热，提高了工作效率。上下两层旋翼的布局沿不同方向旋转可以抵消扭矩。通过聚光装置，给斯特林机提供热源，同时从旋翼引气作为冷源，可以有效地进行热电转化，为系统提供能源。此外，通过运用总距、变距以及航向操纵技术，可以有效提高碟式飞行器的机动性。通过本发明，可以解决传统碟式飞行器设计方案留空时间短这一致命缺陷。 

四、附图说明：

图1为本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞机外形图； 

图2为本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞机的剖视图； 

图3为斯特林发机原理图。 

图中标号说明如下： 

1.外端防护，     2.上层桨叶，            3.上层桨叶安装角控制器, 

4.导轨圈，       5.碟形聚光装置，        6.斯特林发电机, 

7.导电滑环，     8.下层桨叶安装角控制器  9.储能电池， 

10.旋翼驱动电机，11.传动轴，             12.舱体， 

13.下层桨叶，    14.热腔，               15.回热器， 

16.冷腔，        17.活塞杆， 

五、具体实施方式：

下面结合图1、2、3对本发明中的一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器作进一步的说明： 

本发明提供了一种基于太阳能光热一体化发电技术的新型碟式飞行器设计方案，该方案可充分利用太阳能实现长时间留空飞行。如图1和图2所示，该方案采用轻质结构作为飞行器的外端防护1和舱体12；通过在上层桨叶2和下层桨叶13铺设太阳能电池，既满足气动需求，又可进行光电转化，继而通过导电滑环7为系统供能或为储能电池9充电；碟形飞行器中心的聚光装置5，可以为斯特林电机6提供热源，从而进行热电转化；舱体内的储能电池9在无光 照时为系统供能以及给旋翼驱动电机10供电，从而使上下旋翼通过传动轴11的带动继续沿着导轨圈4稳定的工作；上层桨叶安装角控制器3和下层桨叶安装角控制器8能够实时改变桨叶的安装角，从而实现飞行器的升降、俯仰、滚转以及航向操纵。 

该斯特林发电机如图2所示，大体包括五个部分：热腔14，加热器，回热器15，冷却器和冷腔16。工质(氢气或氦气)在热腔里受热膨胀，热源为上述的聚光装置，然后经过回热器，在冷腔中冷却，冷源为旋翼引气，工质就这样往复循环推动活塞杆17有规律的运动，从而带动发电机发电。 

本发明一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其基本设计方案如下： 

1.结合预设的技术参数和任务参数(包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器进行概念设计，确定飞行器的初始尺寸，并对设计方案进行论证以及仿真验证； 

2.对碟式飞行器气动外形进行分析，此外，根据飞行器升阻比特性来确定桨叶的形状； 

3.与此同时，在上层桨叶的上表面和下层桨叶的下表面铺设太阳能电池，并分析桨叶的气动特性是否满足要求； 

4.进行舱体、外端防护以及导轨圈的设计，舱体和外端防护采用轻质材料，尽可能的减轻机体重量。导轨圈的设计与导电滑环的设计相配合； 

5.进行桨叶安装角驱动电机的设计，保证每个桨叶的安装角都处于受控状态，且都能转到预设的角度； 

6.与此同时，对桨叶安装角的控制电路进行设计，保证碟式飞行器能很好的实现总距、变距以及航向操纵，此外，将桨叶安装角控制器进行模块化处理； 

7.对斯特林发电机进行设计，包括聚光装置、发电机、工质的选择、密封措施、散热片； 

8.与此同时，考虑如何有效的从旋翼引气来冷却工质； 

9.进行储能电池的安装，选择高能量密度的锂电池，根据能量平衡的计算，合理选择锂电池的重量； 

10.与此同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡。因为对于太阳能飞行 器，储能电池的质量将占到机身总重量的一半左右； 

11.进行整个系统的总装工作。包括碟式飞行器的舱体、外端防护、导电滑环、桨叶安装角驱动模块、上下层旋翼、斯特林机以及储能电池； 

12.与此同时，进行各个模块之间的电路连接以及软硬件的结合； 

13.最后，对整个新型碟式布局的太阳能飞行器进行飞行试验验证。 

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。 

Claims (4)

1.一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其特征在于：

碟式飞行器的旋翼分为上下两层，在满足气动要求的前提下，上层旋翼的上表面和下层旋翼的下表面铺设太阳能电池，太阳能电池在进行光电转化的同时，高速旋转的桨叶可以起到电池片的散热作用，从而提高太阳能电池的工作效率。太阳能电池产生的电能通过导电滑环直接供给旋翼驱动电机或给储能电池充电。此外，两层旋翼的布局可以消除单层桨叶旋转所产生的扭矩。

2.一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其特征在于：

在碟式飞行器中心安装斯特林发电机，真正将光热一体化的太阳能发电技术运用到了飞行器的设计中。通过碟式聚光装置将太阳光聚集成为斯特林机的热源，同时，从旋转的桨叶中引气作为斯特林电机的冷源。工质在热腔与冷腔中推动活塞杆有规律的运动，从而带动斯特林机发电。

3.一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其特征在于：

通过桨叶安装角控制机构，使每片桨叶的安装角都处于受控状态。通过改变桨叶的安装角进行飞行器的总距、变距以及航向操纵，进而实现碟式飞行器的升降、俯仰以及滚转等飞行姿态的调整。

4.一种新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器，其特征在于：其基本的设计方案如下：

(1)结合预设的技术参数和任务参数(包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对新型碟式旋翼布局的太阳能飞行器进行概念设计，确定飞行器的初始尺寸，并对设计方案进行论证以及仿真验证；

(2)对碟式飞行器气动外形进行分析，此外，根据飞行器升阻比特性来确定桨叶的形状；

(3)与此同时，在上层桨叶的上表面和下层桨叶的下表面铺设太阳能电池，并分析桨叶的气动特性是否满足要求；

(4)进行舱体、外端防护以及导轨圈的设计，舱体和外端防护采用轻质材料，尽可能的减轻机体重量。导轨圈的设计与导电滑环的设计相配合；

(5)进行桨叶安装角驱动电机的设计，保证每个桨叶的安装角都处于受控状态，且都能转到预设的角度；

(6)与此同时，对桨叶安装角的控制电路进行设计，保证碟式飞行器能很好的实现总距、变距以及航向操纵，此外，将桨叶安装角控制器进行模块化处理；

(7)对斯特林发电机进行设计，包括聚光装置、发电机、工质的选择、密封措施、散热片；

(8)与此同时，考虑如何有效的从旋翼引气来冷却工质；

(9)进行储能电池的安装，选择高能量密度的锂电池，根据能量平衡的计算，合理选择锂电池的重量；

(10)与此同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡。因为对于太阳能飞行器，储能电池的质量将占到机身总重量的一半左右；

(11)进行整个系统的总装工作。包括碟式飞行器的舱体、外端防护、导电滑环、桨叶安装角驱动模块、上下层旋翼、斯特林机以及储能电池；

(12)与此同时，进行各个模块之间的电路连接以及软硬件的结合；

(13)最后，对整个新型碟式布局的太阳能飞行器进行飞行试验验证。