CN105383678A - 一种高空太阳能飞行器布局及其航向控制方法 - Google Patents

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王鹏
郭天豪
郭正
陈清阳
鲁亚飞
李樾
杨杰星
徐圣
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
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Abstract

本发明涉及飞行器总体布局设计领域，特别是涉及一种高空太阳能飞行器，飞行器包括主机翼、动力装置、襟副翼和具有翼型的多个机舱；每个机舱相互平行，所述机舱作为垂直安定面与支撑结构；主机翼安装于多个机舱的上侧，且与机舱垂直；每个机舱上、靠近机舱与主机翼的连接处安装动力装置；主机翼后缘两侧安装有襟副翼。同时涉及其航向控制方法。本发明虽然没有采用常规现有技术中的尾翼，但是通过动力装置和襟副翼的协调保证了足够的控制能力，大幅减少了飞行时的阻力与飞行需用功率，明显提高了飞行器的气动效率与续航时间；但是通过具有翼型的机舱作为垂直安定面，其起到了垂尾的作用，而且机舱同时作为支撑机构，可以用来安装内部载荷。

Description

一种高空太阳能飞行器布局及其航向控制方法
技术领域
本发明涉及飞行器总体布局设计领域，特别是涉及一种高空太阳能飞行器及其航向控制方法。
背景技术
高空太阳能飞行器(属于低速飞行器)依据现有技术难以实现昼夜能量平衡，因而提高飞行器的气动效率以减小飞行需用功率显得尤为重要。
平流层的大气环境有其显著的特点：一方面，空气密度低，维持巡航所需的速度相对大，这对飞行器的能源系统、气动效率、结构质量等方面提出了非常苛刻的要求；另一方面，气流比较平稳，出现阵风等大幅度扰动的频次很低。
目前低速飞行器的姿态控制主要依赖常规舵面，包括升降舵、方向舵、副翼、襟翼。由于要保证足够的控制能力以应对各种可能的突发状况，这些舵面在设计时相比其在巡航模式正常工作所需的舵面尺寸有很大的裕量。这些舵面，尤其是包含升降舵的尾翼，会显著减小飞行器的升阻比，降低飞行器气动效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种减小飞行器升阻比的高空太阳能飞行器布局。
为达到上述发明目的，本发明提供一种高空太阳能飞行器，同时提供飞行器的控制方法。
一种高空太阳能飞行器布局，包括主机翼、动力装置、襟副翼和具有翼型的多个机舱；
每个机舱相互平行，所述机舱作为垂直安定面与支撑结构；
主机翼安装于多个机舱的上侧，且与机舱垂直；
每个机舱上、靠近机舱与主机翼的连接处安装动力装置；
主机翼后缘两侧安装有襟副翼。
进一步，动力装置的组成构件包括螺旋桨、电机和电子调速器，螺旋桨固定在电机的转轴上，电机连接电子调速器。
一种高空太阳能飞行器布局的航向控制方法，具体步骤如下：
S1，减小太阳能飞行器待转弯一侧动力装置的拉力，同时增加另外一侧动力装置的拉力；
S2，太阳能飞行器在拉力差的作用下，向拉力减小的一侧水平偏转；
S3，当太阳能飞行器的水平偏转角度达到目标航向时，恢复太阳能飞行器两侧动力装置的拉力至转弯前；
S4，太阳能飞行器推力方向与速度方向存在夹角，推力垂直于速度方向的分量提供转弯所需的向心力；
S5，转弯过程中，襟副翼克服由于侧滑产生的附加滚转力矩，保证飞行器保持横向姿态水平。
本发明虽然没有采用常规现有技术中的尾翼，但是通过动力装置和襟副翼的协调保证了足够的控制能力，大幅减少了飞行时的阻力与飞行需用功率，明显提高了飞行器的气动效率与续航时间；但是通过具有翼型的机舱作为垂直安定面，其起到了垂尾的作用，而且机舱同时作为支撑机构，可以用来安装内部载荷。
附图说明
图1为本发明高空太阳能飞行器的结构示意图。
图2为本发明高空太阳能飞行器的动力装置的结构示意图。
图3为本发明高空太阳能飞行器航行控制示意图。
具体实施方式
本发明中，为方便叙述，将“高空太阳能飞行器”简记为“飞行器”。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。
1，一种高空太阳能飞行器，如图1所示，包括主机翼2、动力装置3、襟副翼4和具有翼型的多个机舱1；
每个机舱1相互平行，所述机舱1作为垂直安定面与支撑结构；
主机翼2安装于各机舱1的上侧，且与机舱1垂直；
每个机舱1上、靠近机舱1与主机翼2的连接处安装动力装置3；
主机翼2后缘两侧安装有襟副翼4。
进一步，如图2所示，动力装置3的组成构件包括螺旋桨31、电机32和电子调速器33，螺旋桨31固定在电机32的转轴上，电机32连接电子调速器33。
所述电子调速器33控制电机32的输入电压，从而控制电机32的转速，进一步控制螺旋桨31的转速，提供飞行器飞行所需的拉力；电子调速器33控制电机32的电压大于或小于平飞巡航的电压来实现飞行器的爬升或下滑，在爬升与下滑的时候襟副翼4控制飞行器的姿态。
本发明针对高空太阳能飞行器苛刻的能耗要求，在飞行器设计时去掉尾翼，从而大大降低飞行时的阻力与飞行需用功率。同时为了满足飞行稳定性与飞行控制要求，采用具有翼型的多个机舱作为垂直安定面，即用来加强飞行器的航向稳定性，同时机舱也作为支撑结构，用于在内部安装载荷设备以及在外侧安装动力设备。
进一步，动力装置分布式固定安装在每个机舱上，并靠近主机翼与机舱的连接处，使得推力中心线与飞行器的质心位于同一高度。主机翼两侧安装有襟副翼，用于实现对飞行器的姿态控制。
2，结合图3，上述高空太阳能飞行器的航向控制方法如下：
S1，减小太阳能飞行器待转弯一侧动力装置的拉力，拉力为T-ΔT，同时增加另外一侧动力装置的拉力，拉力为T+ΔT；
S2，太阳能飞行器在拉力差的作用下，向拉力减小的一侧水平偏转；
S3，当太阳能飞行器的水平偏转角度达到目标航向时，恢复太阳能飞行器两侧动力装置的拉力至转弯前；
S4，太阳能飞行器推力方向与速度方向存在夹角θ，推力垂直于速度方向的分量提供转弯所需的向心力；
S5，转弯过程中，襟副翼克服由于侧滑产生的附加滚转力矩，保证飞行器保持横向姿态水平。
飞行器的转弯是通过两侧拉力差动实现的，发生侧滑之后推力垂直于速度的分量，提供转弯所需的向心力；由于该类飞行器往往螺旋模态稳定性不够，容易因滚转进入尾旋并难以改出，因而在转弯的同时，通过襟副翼反馈克服由于侧滑产生的附加滚转力矩，飞行器保持横向姿态水平。
本发明的上述实施方案不能认为是对本发明权利要求所作的限制，如果本领域的技术人员通过本发明的启发不需要创造性的劳动做出相应的变化，都应落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高空太阳能飞行器，其特征在于，包括主机翼(2)、动力装置(3)、襟副翼(4)和具有翼型的多个机舱(1)；
每个机舱(1)相互平行，所述机舱(1)作为垂直安定面与支撑结构；
主机翼(2)安装于多个机舱(1)的上侧，且与机舱(1)垂直；
每个机舱(1)上、靠近机舱(1)与主机翼(2)的连接处安装动力装置(3)；
主机翼(2)后缘两侧安装有襟副翼(4)。
2.根据权利要求1所述一种高空太阳能飞行器，其特征在于，动力装置(3)的组成构件包括螺旋桨(31)、电机(32)和电子调速器(33)，螺旋桨(31)固定在电机(32)的转轴上，电机(32)连接电子调速器(33)。
3.基于权利要求1所述的高空太阳能飞行器的航向控制方法，其特征在于，所述航向控制方法如下：
S1，减小太阳能飞行器待转弯一侧动力装置的拉力，同时增加另外一侧动力装置的拉力；
S2，太阳能飞行器在拉力差的作用下，向拉力减小的一侧水平偏转；
S3，当太阳能飞行器的水平偏转角度达到目标航向时，恢复太阳能飞行器两侧动力装置的拉力至转弯前；
S4，太阳能飞行器推力方向与速度方向存在夹角，推力垂直于速度方向的分量提供转弯所需的向心力；
S5，转弯过程中，襟副翼克服由于侧滑产生的附加滚转力矩，保证飞行器保持横向姿态水平。
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