CN107054613A - 基于激光阵列输能的货运飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光阵列输能的货运飞行器，包括：旋翼系统、机身、货舱；还包括：可倾转短舱、液压对接装置、能量接收转换器；所述货舱与机身通过液压对接装置连接；所述可倾转短舱安装于机身，可绕机身轴线旋转，所述旋翼系统安装于可倾转短舱；所述能量接收转换器将光能转化为电能。

Description

基于激光阵列输能的货运飞行器

技术领域

本发明属于飞行器设计的相关研究领域，具体涉及一种基于激光阵列输能的可持续快速起降货运飞行器。

背景技术

国际运输是经贸合作的重要组成部分。航空运输相对于传统陆地、海洋运输模式，具有运输速度快、不受地面条件限制、高安全性、高空间跨度等优点。对于贵重商品、鲜活货物、急需物资、精密仪器等货物几乎必须使用航空运输。在新丝路上架起一条「空中丝绸之路」的重要性不言而喻。

然而，当前主流的空中运输方式还是传统运输机。其作为空中丝路的载体呈现出了明显的问题：1.依赖机场，缺乏时间和空间上的机动性；2.使用燃油，运输成本高，不利于环保；3.运输流量相对较小。

因此，开发一种使用清洁能源、高续航、大运输流量的运输飞行器在空中丝路的应用上有着重要的意义。目前中型以上的货运直升机大多采用单桨翼或双桨翼的结构，机振较大，本文提出一种可倾转翼的四旋翼系统，能一定程度上减轻机振，机身与货舱的组合式结构可以使流量最大化，装卸货方便。该飞行器能够快速完成紧急物资输送的任务，在工程抢险，自然灾害防治，国内外进出口商品运输等方面起到重要作用。

发明内容

本发明解决的问题是现有货运飞行器运输效率低；为解决所述问题，本发明提供基于激光阵列输能的货运飞行器。

本发明提供的基于激光阵列输能的货运飞行器，包括：旋翼系统、机身、货舱、可倾转短舱、液压对接装置、能量接收转换器；所述货舱与机身通过液压对接装置连接；所述可倾转短舱安装于机身，可绕机身轴线旋转，所述旋翼系统安装于可倾转短舱；所述能量接收转换器将光能转化为电能。

进一步，所述机身为工字形结构，四个端面各连接一个可倾转短舱，所述可倾转短舱可绕机身轴线转90°。

进一步，所述可倾转短舱上安装有旋翼系统，起飞阶段旋翼系统平行地面旋转；起飞后，可倾转短舱可绕机身轴线转90°，旋翼系统垂直地面旋转。

进一步，所述机身沿轴线的截面为凹字形结构，所述货舱形状与所述凹字形结构的缺口匹配，货舱与机身之间还安装有油箱。

进一步，所述机身由框架、桁条、蒙皮和金属铆钉组成，机身头部做整流形。

进一步，所述旋翼系统包括桨毂和桨叶片，采用无轴承式铰接；所述桨毂由桨毂轴、桨毂弹性体、保护罩、阻尼器组成；桨毂轴与短舱内的螺桨减速器相连，发动机通过桨毂轴将扭矩传递给旋翼；桨毂弹性体用于实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动，摆振阻尼由阻尼器提供，桨毂上端装有整流罩。

进一步，所述液压对接装置采用液压爪抓卡的方式进行货舱与飞行器的对接，所述液压对接装置由齿条杆、液压圈、连接杆和齿轮组成。

进一步，所述机身尾部安装垂尾，所述机身头部和尾部分别安装起落架和起落轮。

进一步，所述机身与货舱的对接面均匀设置四组液压对接装置。

本发明的优点包括：

机身与货舱采用组合式结构，载卸货方便且减轻空载时机重。货舱材料采用铝合金和玻璃纤维的复合设计，起到防电、耐热、抗腐蚀的作用。机翼外端部连接可倾转的短舱，在不同飞况下，通过改变短舱倾角可大大提升飞行器的起落能力和飞行的效率。采用燃油和电能的混合动力能源，通过远距离的激光宽束进行能量的输入，能量接收转换器处于飞行器尾部，能实现光电的转换。

附图说明

图1为本发明实施例提供的货运飞行器的三维爆炸视图；

图2为本发明实施例提供的货运飞行器的机身三维视图；

图3为本发明实施例提供的货运飞行器的旋翼桨毂三维装配图；

图4为本发明实施例提供的货运飞行器的旋翼桨毂内部结构剖视图；

图5(a)为本发明实施例提供的货运飞行器的液压对接装置的截面图，(b)为沿A-A面剖视图；

图6为本发明实施例提供的货运飞行器的液压对接装置处于非对接状态时的三维视图；

图7为本发明实施例提供的货运飞行器的液压对接装置处于对接状态时的三维视图；

图8为本发明实施例提供的货运飞行器的能量接收转换器的结构视图；

图9为本发明实施例提供的货运飞行器的货舱的三维结构视图；

图10为本发明实施例提供的货运飞行器的起落装置的三维结构视图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

如图1所示。本发明实施例提供的基于激光阵列输能的可持续快速起降货运飞行器，包括：旋翼系统1、机身2、油箱3、可倾转短舱4、起落系统5、货舱6、液压对接装置7、能量接收转换器8、垂尾9。如图2所示，一个实施例中，机身为工字形结构，长宽高15m×3m×5m，机翼展15.6m，旋翼垂直高度3.8m，载重36t，起飞最大重量43.3t，旋翼实度0.09，旋翼直径11.74m，桨叶片数3，最大飞行速度500km/h，桨盘载荷100kg/m²。机身轴向截面具有一定圆度，起到减阻的作用。

继续参考图1，机身2采用机体货舱组合式结构，卸货状态时为“凹”字体结构，该结构能大大减轻飞行器空载时的重量，载货状态时为类长方体结构，机身的50％由复合材料制成，由框架、桁条、蒙皮和金属铆钉组成。机身头部做球形整流设计，减少飞行阻力，机身两侧的机翼装有四个可倾转短舱4。所述工字形结构四个端面各连接一个可倾转短舱，所述可倾转短舱可绕机身轴线转90°。可倾转短舱内部有螺桨减速器和回转驱动器，用于飞行器起落过程中驱动和控制可倾转短舱。每个所述可倾转短舱4上安装有一个旋翼系统1，对于不同的飞行环境和飞行参数，通过倾转可倾转短舱4调节旋翼的倾转角度，以匹配当前的飞行状态。起飞阶段旋翼系统平行地面旋转；起飞后，可倾转短舱可绕机身轴线转90°，旋翼系统垂直地面旋转。由四个可倾转式旋翼系统组成的旋翼结构可以大大减小飞行震动，减小桨尖损失。

结合参考图3和图4，旋翼系统由桨毂和桨叶片e组成，采用无轴承式铰接，所述桨毂由桨毂轴a、桨毂弹性体c、保护罩d、阻尼器b组成。桨毂采用无轴承式铰接，桨毂弹性体c采用“艹”字形结构，变形时可给桨叶片提供较大拉扭力；桨毂轴a采用三边双铰式，确保桨毂弹性体c与桨毂轴a具有足够的连接强度；桨叶片e采用矩形桨，尾部后掠处理，提高旋翼气动效率。

货舱材料采用铝合金和玻璃纤维的复合设计，该设计使得货舱质量较轻强度较大，玻璃纤维内饰板又能起到防电、耐热、抗腐蚀的作用，保证送货的高效性与安全性；桨毂轴a与短舱4内的螺桨减速器相连，发动机通过桨毂轴a将扭矩传递给旋翼1。桨毂弹性体c由高性能碳纤维制成，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都可通过桨叶根部的弹性体c来完成，摆振阻尼由阻尼器b提供，桨毂上端装有保护罩d，方便桨毂元件的安置，同时又减小空气阻力。本领域技术人员也可以将现有飞行器用旋翼系统用于本发明所提供的货运飞行器。

货舱的设计秉承与机身完美配合以及最大化提升货舱容量的原则，根据机身的尺寸，制定货舱尺寸，货舱顶面留有液压爪抓卡位。外部材料为高强度铝合金，内饰板用玻璃纤维制成，玻璃纤维绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高。

如图5所示，液压对接装置采用液压爪抓卡的方式进行货舱与飞行器的对接，由齿条杆f、液压圈g、连接杆h和齿轮i组成。如图6所示，采用液压驱动齿轮齿条运动，液压对接装置在装卸货时液压驱动齿轮i运动至图6所示的非对接状态，装卸货完成时，液压驱动对接装置至图7所示的对接状态，将货舱锁在飞行器机身下方。通过对货舱重量及飞况分析，自行设计液压对接装置，抓卡最大载荷通过计算满足要求，能够很好的完成抓卡任务。在其他实施例中，可以采用现有的液压对接装置，现有的液压对接装置单个负载可以在6wN以上，满足要求。

飞行器的起落方式为垂直起落，起落系统5包括起落架和起落轮，起落系统5一共两套，分别安装于机身的头部和尾部；所述起落系统5辅助飞行器慢速滑行、改变机身方向和飞行器停驻。

机身尾部安装垂尾，垂尾由AS4/环氧树脂夹层结构构成，能够保持飞行器在飞行中的稳定性和辅助控制飞行器的飞行姿态，飞行姿态主要由机翼两侧的旋翼系统控制。能量接收转换器置于飞行器的尾部，如图9所示。无线激光能量传输系统将激光传输到机尾砷化镓激光接收板j上，通过光电效应将光能转换为电能，电能用于飞行器的续航。能量接收板具有两个转动自由度，电机k驱动调节接收板与入射激光束之间的夹角。砷化镓激光接收板j的空间三维转动依靠底板二维转动和砷化镓板二维转动结合的方式来实现。

所述的油箱是在飞行器穿越恶劣地形时长时间无法充电的情况下作为备用能源，以提升飞行器的机动性能和续航。

能量供给的理念采取了基站群供电，通过建立足够密集的基站群网络，在理论上可以使飞行器达到无限续航；能量供给的方式采取了无线激光输电，无需输电线，且理论上给飞行器供能不需要其降落，大大提升了便捷性。

本发明实施例提供的货运飞行器空中送货系统完整送货流程如下：

1.飞行器与载货货舱对接、装卡；

2.4台GE38发动机同时工作，旋翼水平方向旋转，垂直起飞；

3.起飞后机翼两端四个短舱倾转90度，旋翼竖直方向旋转，加速飞行，进行送货任务；

4.飞行途中剩余能源接近警戒线时，飞至航线前方最近的能源基站，进行激光能量无线传输；

5.飞行器补充完能源后，继续飞行进行货运；

6.整个飞行过程采用GPS导航+惯性导航+视觉导航系统，到达送货地点，停驻，液压爪松开卸货；

7.在能源基站进行能源补充，返回或调遣进行下一个送货任务。

备注：期间若遇到沙漠、海洋等没有较密集能量基站的工况，采用备用油箱续航。

综上，常规货运飞行器分军用和民用两种，民用货运机结构与客机类似，双翼、货舱机身一体，滑翔起降，以燃油为主要能源，依赖机场，飞行速度低于300m/s，军用运输机主要是单桨式或双桨式直升机为主，机身与货舱一体化设计，垂直起降，飞行速度较低，以燃油为主要能源。本发明采用四旋翼设计，以燃油和氢能为混合动力能源，采用空间激光输能进行能量的补充，飞行速度高，机身和货舱采用分离式设计，保证装卸货和运货可以无缝衔接，自动化程度高，垂直起降和加速，载货量大，货舱与飞行器机身技术分离，飞行器重构型强。

飞行器和货舱采用液压对接装置进行对接，便于飞行器和货舱的分离控制。液压对接装置初始状态如图6所示，齿条呈竖直位置，与齿轮轴啮合，对接过程开始，货舱上的对接口接近对接装置，对接装置行进至指定位置后，液压缸工作，驱动齿轮轴运动，传动齿条转动，齿条转动90度至水平位置，与货舱上的对接口贴合，在合适位置稳定后液压缸停止运动，从而实现液压对接装置与货舱锁紧。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.基于激光阵列输能的货运飞行器，包括：旋翼系统、机身、货舱；其特征在于，还包括：可倾转短舱、液压对接装置、能量接收转换器；所述货舱与机身通过液压对接装置连接；所述可倾转短舱安装于机身，可绕机身轴线旋转，所述旋翼系统安装于可倾转短舱；所述能量接收转换器将光能转化为电能。

2.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述机身为工字形结构，四个端面各连接一个可倾转短舱，所述可倾转短舱可绕机身轴线转90°。

3.依据权利要求2所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述可倾转短舱上安装有旋翼系统，起飞阶段旋翼系统平行地面旋转；起飞后，可倾转短舱可绕机身轴线转90°，旋翼系统垂直地面旋转。

4.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述机身沿轴线的截面为凹字形结构，所述货舱形状与所述凹字形结构的缺口匹配，货舱与机身之间还安装有油箱。

5.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述机身由框架、桁条、蒙皮和金属铆钉组成，机身头部做整流形。

6.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述旋翼系统包括桨毂和桨叶片，采用无轴承式铰接；所述桨毂由桨毂轴、桨毂弹性体、保护罩、阻尼器组成；桨毂轴与短舱内的螺桨减速器相连，发动机通过桨毂轴将扭矩传递给旋翼；桨毂弹性体用于实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动，摆振阻尼由阻尼器提供，桨毂上端装有整流罩。

7.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述液压对接装置采用液压爪抓卡的方式进行货舱与飞行器的对接，所述液压对接装置由齿条杆、液压圈、连接杆和齿轮组成。

8.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述机身尾部安装垂尾，所述机身头部和尾部分别安装起落架和起落轮。

9.依据权利要求1所述的基于激光阵列输能的货运飞行器，其特征在于，所述机身与货舱的对接面均匀设置四组液压对接装置。