CN106184708A - 一种串置翼太阳能无人机 - Google Patents

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赵辉
马震宇
刘晓楠
马涵悦
胡鹏飞
李德坚
刘海
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Abstract

一种串置翼布局太阳能的长航时高空飞行器。包括串置翼系统一前翼2和后翼3、垂直尾翼6、机身4，在前翼左右各一个电机，机身内有电力系统1，前后翼内部铺设有太阳能电池板3，前后翼表面使用透明薄膜蒙皮。解决了增加太能电池板铺设面积已解决功率不够的问题。提供气动性能优秀的太阳能飞机的气动布局，使得太阳能飞机可以具有良好的结构布局。本发明的优点在于此种布局构型除结构和质量方面的优势外，通过改变前后两个机翼之间的升力分布分配，能够使飞机机翼的飞行诱导阻力明显减小。其气动性能要优于单机翼布局，气动性能的提升空间较大。而且在方便太阳能电池板的铺设，几何尺寸要小制作简单，实用性更强。

Description

一种串置翼太阳能无人机
技术领域
本发明属于无人机设计领域，涉及一种串置翼布局太阳能的长航时高空飞行器。
背景技术
随着航空业发展，能源、噪音及污染问题也会越来越明显。太阳能飞机这种利用光伏电池的零碳环保飞行器，具有常规飞行器不可替代的一些优点势必成为发展热点。
太阳能无人机要求飞机必须具有较高的升阻比，而串置布局方案在这方面呈现的优势明显。此种布局构型除结构和质量方面的优势外，通过改变前后两个机翼之间的升力分布分配，能够使飞机机翼的飞行诱导阻力明显减小。在参考面积，翼展等机翼主要参数相同的情况下，串列翼布局无人飞行器的升力系数和升阻比较单机翼布局的大，其气动性能要优于单机翼布局，几何尺寸要小，实用性更强，气动性能的提升空间较大，实用性更强。
目前串置翼研究还是停留在数值模拟方面，国外Scharp对串置翼直机翼构型低雷诺数的气动特性进行了试验研究，验证了此布局的优势。密苏里大学的Mark也对串置翼做了大量气动研究。国内李广佳和张国庆都进行了串置翼的低雷诺数气动研究，常浩等人对串置翼在到飞艇上应用进行了气动特性数值研究。而在太阳能无人机试飞成功的试验机中都是常规布局，如在全球航行的瑞士制造的“阳光动力2号”，国内的绿色先锋号以及在科研类航空航天锦标赛中的太阳飞机等。目前没有太能飞机布局是串置翼布局。
发明内容
解决的技术问题是：增加太能电池板铺设面积已解决功率不够的问题。提供气动性能优秀的太阳能飞机的气动布局，使得太阳能飞机可以具有良好的结构布局。
解决方案：一种串置翼太阳能无人机，包括串置翼系统一前翼2和后翼3、垂直尾翼6、机身4，在前翼左右各一个电机，机身内有电力系统1，前后翼内部铺设有太阳能电池板3，前后翼表面使用透明薄膜蒙皮。
所述的串置翼系统的前翼为矩形翼加梯形翼且前翼上反角5，单个上反段长度为机翼展长的1/5，后翼为平直翼，展弦比为10。
所述的梯形翼段根梢比为0.8。
所述的电机为盘式电机以驱动大直径的桨，电机位置在距离机身35％的半展长的位置。
所述的电力系统为大容量锂电池、电调、MPPT(峰值功率跟踪器)等，白天太阳能电池板收集太阳能，并通过MPPT(峰值功率跟踪器)将一部分能量储存在储能电池中，另一部分则用于驱动飞机上需要能量的部件(电动机、舵机、载设备等)；晚上飞机依靠储存的电池提供的电量进行飞行。
优点：1此种布局构型除结构和质量方面的优势外，通过改变前后两个机翼之间的升力分布分配，能够使飞机机翼的飞行诱导阻力明显减小。在参考面积，翼展等机翼主要参数相同的情况下，串列翼布局无人飞行器的升力系数和升阻比较单机翼布局的大，其气动性能要优于单机翼布局，气动性能的提升空间较大。而且在方便太阳能电池板的铺设，几何尺寸要小制作简单，实用性更强。
2通太阳能电池与电机间的电器控制电路，驱动电机带动大螺旋桨旋转工作，减少了螺旋桨减速机构的能量损耗和重量。
3完全用太阳能板转化的能量作为飞机的动力来源，可用锂电池作为富余电能地储存，飞机时实现昼夜飞行。
附图说明
图1为串置翼太阳能无人机的俯视图；
图2为串置翼太阳能无人机的斜视图；
图3为串置翼太阳能无人机的侧视图；
图4为前后翼位置说明图。
具体实施方式
所述的串置翼系统，使用Fluent软件进行气动分析确定前翼和后翼之间的水平相对距离S和垂直相对距离H(距离规定见图4)，通过分析S为5倍弦长，H为0.4倍弦长时串置翼系统有较好的气动性能。串置翼的前翼为矩形翼加梯形翼且前翼上反角5，单个上反段长度为机翼展长的1/5，后翼为平直翼，展弦比为10。
所述的梯形翼段根梢比为0.8。
所述的电机为盘式电机以驱动大直径的桨，电机位置在距离机身35％的半展长的位置。
所述的电力系统1为大容量锂电池、电调、MPPT(峰值功率跟踪器)等，白天太阳能电池板收集太阳能，并通过MPPT(峰值功率跟踪器)将一部分能量储存在储能电池中，另一部分则用于驱动飞机上需要能量的部件(电动机、舵机、载设备等)；晚上飞机依靠储存的电池提供的电量进行飞行。
串置翼飞机属于非常规布局采用是鸭翼控制方式即前翼舵面为升降舵，后翼舵面为副翼。副翼面积相对于机翼面积一般在5％～7％；副翼相对弦长(与机翼当地弦长相比)约为20％～25％；副翼展长一般从50％～60％延伸到90％左右，即相对展长为30％～40％；平尾的升降舵在平尾弦向所占的比例为20％；立尾相对面积(立尾面积/机翼全面积)在20％～25％，方向舵在弦向所占比例为20％。
具体制作时，使用三维软件建立模型，然后使用CAD软件绘制二维零件图后用激光雕刻机雕出零件。机翼制作是使用层板雕刻出两个翼型，将翼型夹在保温板两边，用泡沫切割机切成，采用碳杆将强机翼。机身为碳杆，采用快干环氧树脂将机身与机翼通过航空层板刚性结合。太阳能电池板安装采用将每块电池板串联焊接封装到机翼内部，用透明超轻蒙皮保证透光，这样可以解决气动效率和转换率的问题。前翼、后翼和垂直尾翼控制舵面的舵机都在翼内部。

Claims (2)

1.一种串置翼太阳能无人机，其特征在于，包括串置翼系统-前翼和后翼、垂直尾翼、机身、太阳能电池板、电机，机身内有电力系统，前后翼内部或者机翼表面铺设有太阳能电池板，前后翼表面使用透明薄膜蒙皮。
2.根据权利要求1所述一种串置翼太阳能无人机，其特征在于：所述的电力系统为大容量锂电池、电调、MPPT(峰值功率跟踪器)等，白天太阳能电池板收集太阳能，并通过MPPT(峰值功率跟踪器)将一部分能量储存在储能电池中，另一部分则用于驱动飞机上需要能量的部件(电动机、舵机、载设备等)；晚上飞机依靠储存的电池提供的电量进行飞行。
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