CN104943864A - 一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，主要包括：飞艇，太阳能无人机。其中，飞艇部分作为空中中继平台，又包含囊体本体，太阳能电池阵列，拦阻装置，挂载装置，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，飞艇储能电池；太阳能无人机是整个平台的核心，主要由包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统，载荷分系统构成。该方案以大型的飞艇为母机和空中蓄能站，以多架太阳能无人机为任务执行平台。空中支持平台兼具空天母舰和空中“加油”机的功能，从而在实现太阳能飞机平台有效减重的同时，能够延长其在20km及以上高度持续飞行的时间。

Description

一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案

技术领域

本发明提供一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，属于航空航天平台系统技术领域。

背景技术

随着空天技术领域的进一步拓展，针对航空、航天结合部使用的平流层飞行器已成为各国研究的重点。与传统飞机相比，低速平流层飞行器的优点是： (1) 留空时间长，可持续工作。易于长期、不间断地获得情报和数据，及时地对紧急事件迅速做出响应。(2) 覆盖范围广。平流层飞行器的飞行高度比传统飞机大，因此覆盖范围也比传统飞机更宽广。(3) 生存能力强。由于气球或软式飞艇以及一些低速无人机的主要部件采用非金属材料制成，因此雷达反射截面很小，传统的雷达难以跟踪和发现。(4) 制造和运行维护费用低，需要的保障人员少、后勤负担轻。

与卫星相比，由于平流层飞行器运行高度低，一般只是低轨卫星1/10-1/20，容易实现高分辨率对地观测，可有效弥补卫星观测局部盲点。对侦察、观测设备要求低，采用一般的数字相机，就可能获得与高精度卫星质量相当的照片；制造成本低，不需要复杂昂贵的发射设施，对地面设备要求也比较低，大部分部件和有效载荷可回收重复使用，因此效费比高。发射过程较为简单；有效载荷技术难度小，易于更新和维护。

在平流层飞行器的研制过程中，平流层飞艇与高空长航时的太阳能无人机已成为各国研究的热点。但现有研究的问题在于：平流层飞艇若想实现既定高度上的任务飞行，平台自身的尺寸和体积均偏大，并且受制于太阳辐照能量的季节性变化，很难实现超长航时的驻空飞行；而太阳能无人机受太阳辐照强度的季节性变化同样无法实现长时留空飞行，并且，一天内日照强度的变化也需太阳能无人机进行高度调节以满足飞行需要。

为此，本发明提出一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案。该方案以大型的飞艇为母机和空中蓄能站，以多架太阳能无人机为任务执行平台，该方案综合了飞艇与太阳能飞机的优势，执行飞行任务的性能将大大提高。

发明内容

（1）目的：本发明的目的在于提供一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，该方案可实现飞艇与太阳能无人机之间的优势互补，既能提高飞行器的载荷能力，又能实现整个平台的长时间驻空飞行。

（2）技术方案：本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，主要包括：飞艇，太阳能无人机。其中，飞艇部分作为空中中继平台，又包含囊体本体，太阳能电池阵列，拦阻装置，挂载装置，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，飞艇储能电池；太阳能无人机是整个平台的核心，主要由包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统，载荷分系统构成。

该方案以大型的飞艇为母机和空中蓄能站，以多架太阳能无人机为任务执行平台。白天或任务执行段，太阳能无人机从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机飞回飞艇母机的停靠点，以飞艇的浮力实现空中停留。在此过程中，太阳能无人机可依靠飞艇上的储能电池实现对自身的能量补给；也可通过自身的储能系统经飞艇母机为其他太阳能无人机输电。

根据上述内容，整个系统由飞行于20km及以上高度的太阳能飞机平台和飞行于10～14km高度处的空中中继平台（飞艇）组成。该空中中继平台兼具空天母舰（通过拦阻装置实现太阳能无人机在该平台上的临时停靠，节约充电过程中太阳能无人机的能量消耗）和空中“加油”机（为太阳能飞机上的储能电池进行快速充电）的功能，从而在实现太阳能飞机平台有效减重的同时，能够延长其在20km及以上高度持续飞行的时间。

所述囊体本体采用轻质、柔韧、高强度的多层纤维制成，主要用于储存氦气，为整个平台提供有效升力；

所述太阳能电池阵列，安装在飞艇的顶部，主要是将太阳能转化为电能，为飞艇储能电池充电，以及为飞艇平台其他设备供能；

所述的拦阻装置主要用于对太阳能无人机进行拦截，其功能类似于航空母舰上的拦截网和拦截绳索；

所述的挂载装置主要用于太阳能无人机的临时停靠；

所述内部温度、压力采集模块主要用于对飞艇内部的氦气温度和压力进行有实时监测；

所述压力调节阀门主要用于对飞艇的内部压力进行实时控制，进而根据飞行任务的要求来改变系统的浮力（升力）；

所述包含机体安定面的结构分系统主要提供太阳能无人机上所有机载设备的安装接口；

所述能源分系统主要为太阳能飞机平台提供所需的能源，除此之外，该系统兼具能源管理功能；

所述航电飞控分系统主要用于对太阳能飞机平台的飞行状态进行实时监测和控制；

所述的飞艇储能电池主要用于对太阳能飞机上的储能电池进行快速充电；

所述推进分系统主要用于太阳能飞机飞行姿态的调节和航路飞行；

所述载荷分系统主要用于实现既定的飞行任务，如照相、通信。

整个系统的工作流程如下：

地面状态下将飞艇和太阳能无人机分别组装和调试完毕，将飞艇按既定的设计要求进行充气，在充气完成后，太阳能无人机停靠在飞艇上；

其中，太阳能无人机在飞艇上停留方式有两种：一种是太阳能无人机收到艇体内；另一种是太阳能无人机挂在艇体外。

针对第一种停留方式：在初始状态下，太阳能无人机被收到艇体内，随飞艇快速提升至既定高度。在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，太阳能无人机通过艇体腹部的舱门从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置停靠在飞艇母机体内，以飞艇的浮力实现空中停留。

针对第二种停留方式：在初始状态下，太阳能无人机通过挂载装置与飞艇连接，由飞艇快速提升至既定的飞行高度。在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，在满足推阻平衡的条件下，太阳能无人机从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或飞任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置和挂载装置飞回飞艇母机的停靠点，以飞艇的浮力实现空中停留。

（3）该方案的优点：1）该系统外形布局新颖，内部结构简洁；2）两者的结合大大增强了太阳能无人机执行飞行任务的能力。飞艇平台与太阳能无人机相组合的组合式平流层飞行器系统方案克服了各自单一形式的缺点，兼具了两者的优势。在提升太阳能无人机载荷能力的同时，实现了整个平台长时驻空飞行。3）飞艇在既定高度后通过系留装置与地面连接，增加了整个平台运行的可靠性。

附图说明：

图1为本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案示意图；

图2为本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，太阳能无人机采用收到艇体内停留方式局部示意图；

图3为本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，太阳能无人机采用挂载在艇体外停留方式局部示意图；

图中标号说明如下：

1. 太阳能无人机，                       2. 飞艇，

3. 挂载装置，                           4. 飞艇储能电池，

5. 拦截装置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案作进一步的说明：

本发明一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，如图1 所示，主要包括太阳能无人机1，飞艇2，，系留装置3飞艇储能电池4，以及拦阻装置5。

如图1所示，本发明实施例中整个系统由飞行于20km及以上高度的太阳能飞机平台和飞行于10～14km高度处的空中中继平台（飞艇）组成。飞艇通过顶部的太阳能电池阵供能。该空中中继平台兼具空天母舰和空中“加油”机的功能，即通过拦阻装置实现太阳能无人机在该平台上的临时停靠，节约充电过程中太阳能无人机的能量消耗；同时飞艇的储能电池为太阳能飞机上的储能电池进行快速充电。

如图2所示，本发明实施例1是太阳能无人机收到艇体内：在初始状态下，太阳能无人机被收到艇体内，随飞艇快速提升至既定高度。在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，太阳能无人机通过艇体腹部的舱门从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置停靠在飞艇母机体内，以飞艇的浮力实现空中停留。

如图3所示，本发明的实施例2是太阳能无人机挂在艇体外：在初始状态下，太阳能无人机通过挂载装置与飞艇连接，由飞艇快速提升至既定的飞行高度。在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，在满足推阻平衡的条件下，太阳能无人机从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置和挂载装置飞回飞艇母机的停靠点，以飞艇的浮力实现空中停留。

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 (3)

1.一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，其特征在于：主要包括：飞艇，太阳能无人机；其中，飞艇部分作为空中中继平台，又包含囊体本体，太阳能电池阵列，拦阻装置，挂载装置，内部温度、压力采集模块，压力调节阀门，飞艇储能电池；太阳能无人机是整个平台的核心，主要由包含机体安定面的结构分系统，能源分系统，航电飞控分系统，推进分系统，载荷分系统构成。

2.根据权利要求书1所述的一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，其特征在于：该方案以大型的飞艇为母机和空中蓄能站，以多架太阳能无人机为任务执行平台；白天或任务执行段，太阳能无人机从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机飞回飞艇母机的停靠点，以飞艇的浮力实现空中停留；在此过程中，太阳能无人机可依靠飞艇上的储能电池实现对自身的能量补给；也可通过自身的储能系统经飞艇母机为其他太阳能无人机输电。

3.根据权利要求书1所述的一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，其特征在于：整个系统由飞行于20km及以上高度的太阳能飞机平台和飞行于10～14km高度处的空中中继平台（飞艇）组成；

该空中中继平台兼具空天母舰（通过拦阻装置实现太阳能无人机在该平台上的临时停靠，节约充电过程中太阳能无人机的能量消耗）和空中“加油”机（为太阳能飞机上的储能电池进行快速充电）的功能，从而在实现太阳能飞机平台有效减重的同时，能够延长其在20km及以上高度持续飞行的时间；

根据权利要求书1所述的一种基于太阳能无人机长时留空的组合式平流层飞行器系统方案，其特征在于：

整个平台的工作流程如下：

地面状态下将飞艇和太阳能无人机分别组装和调试完毕，将飞艇按既定的设计要求进行充气，在充气完成后，太阳能无人机停靠在飞艇上；

其中，太阳能无人机在飞艇上停留方式有两种：一种是太阳能无人机收到艇体内；另一种是太阳能无人机挂在艇体外；

针对第一种停留方式：在初始状态下，太阳能无人机被收到艇体内，随飞艇快速提升至既定高度；

在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，太阳能无人机通过艇体腹部的舱门从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或非任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置停靠在飞艇母机体内，以飞艇的浮力实现空中停留；

针对第二种停留方式：在初始状态下，太阳能无人机通过挂载装置与飞艇连接，由飞艇快速提升至既定的飞行高度；

在达到既定高度后，飞艇本体通过系留装置与地面设备连接，以实现定区域停留，同时飞艇顶部的太阳能电池阵工作；白天或任务执行段，在满足推阻平衡的条件下，太阳能无人机从飞艇母机起飞，到达指定区域执行任务；夜晚或飞任务执行段，太阳能无人机通过拦阻装置和挂载装置飞回飞艇母机的停靠点，以飞艇的浮力实现空中停留。