CN107416181A - 一种临近空间无人机增效装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种临近空间无人机增效装置，包括若干组等离子体激励器、管理控制系统和外挂舱体；其中，若干组等离子体激励器对称安装在无人机两侧机翼的上表面；所述管理控制系统中，压力传感器对称分布在两侧机翼上表面，所述压力传感器通过电信号放大器连接系统控制器，所述系统控制器分别连接等离子体激励器电源控制器和高压输出控制器，所述等离子体激励器电源控制器连接等离子体激励器电源，所述等离子体激励器电源的输出端连接高压输出控制器的输入端，所述高压输出控制器的输出端连接等离子体激励器；外挂舱体，用于放置管理控制系统。本发明所述增效装置结构简单，且可有效解决临近空间无人机机翼流动分离严重、飞行效率低的问题。

Description

一种临近空间无人机增效装置

技术领域

本申请涉及一种等离子体气动激励增效装置，应用于临近空间低速无人机，属于等离子体流动控制技术领域，特别是一种临近空间无人机增效装置。

背景技术

临近空间空气稀薄、密度低，使得无人机机翼表面更易发生边界层分离，机翼升阻比与飞行效率得不到保证，严重影响无人机载重能力和长航时飞行性能。目前，已有多种流动控制手段来控制翼型流动分离，如通过在机翼上安装扰流器、在机翼表面加工出一系列沟槽或安装涡生成器等被动流动控制技术；合成射流技术和抽吸气控制等主动流动控制技术。这些控制手段各有不足，如结构比较复杂、而且会引起振动和噪声等。因此，人们开始探索使用新的技术手段来实现流动控制，其中等离子体流动控制技术被普遍认为是一种具有应用潜力的可行途径。

表面介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge-SDBD)是等离子体流动控制技术的重要研究方向，现有的大量研究成果表明该技术可有效抑制翼型、钝体及锥体等气动部件壁面产生的流动分离，提高流场质量和稳定性，对气动部件起到增升减阻的效果，相比于传统流动控制技术，具有质量轻、宽工况、无活动部件及响应迅速等优点，并且在低压、低雷诺数飞行条件下具有更强的控制效果，因此在临近空间低速飞行器范畴内具有广阔应用潜力。

目前，等离子体流动控制技术仍处于技术研究阶段，仅局限于激励器本身放电机理及其气动效应的研究，此外，其放电和控制是在实验室条件下通过外加激励电源和控制设备实现的，若实现高空无人机等离子体流动控制技术的应用，还缺乏完备的系统性放电和控制的配套工程装置。

发明内容

本申请要解决的是针对上述目前存在的问题，提供一种基于等离子体流动控制技术的临近空间低速无人机增效装置，以改善临近空间低速无人机流场，降低流动分离造成的机翼阻力增大、升力减小的负效应，提高无人机载重能力和长时巡航性能。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：

一种临近空间无人机增效装置，包括若干组等离子体激励器、管理控制系统和外挂舱体；其中，

若干组等离子体激励器对称安装在无人机两侧机翼的上表面；

所述管理控制系统包括压力传感器、电信号放大器、高压输出控制器、等离子体激励器电源、等离子体激励器电源控制器和系统控制器；所述压力传感器对称分布在两侧机翼上表面，所述压力传感器通过数据线连接电信号放大器，所述电信号放大器连接系统控制器，所述系统控制器分别连接等离子体激励器电源控制器和高压输出控制器，所述等离子体激励器电源控制器接收系统控制器的控制指令并输出到等离子体激励器电源，所述等离子体激励器电源的输出端连接高压输出控制器的输入端，所述高压输出控制器的输出端连接等离子体激励器；

外挂舱体，其安装在无人机机体下方，所述外挂舱体包括圆柱形本体和圆锥形头部；所述圆柱形本体内用于放置管理控制系统的电信号放大器、高压输出控制器、等离子体激励器电源、等离子体激励器电源控制器和系统控制器。

进一步的，包括8组等离子体激励器，无人机每侧机翼设有4组等离子体激励器，分别为前缘等离子体激励器、近前缘等离子体激励器、吸力峰等离子体激励器、尾缘等离子体激励器，所述4组等离子体激励器分别铺设在无人机机翼翼型弦长的5％、25％、45％和95％处。

进一步的，每组等离子体激励器包括暴露电极、植入电极和暴露电极底座，其中暴露电极底座嵌入安装在机翼上表面，暴露电极铺设在暴露电极底座上，暴露电极底座上表面、暴露电极上表面与机翼上表面片平齐，植入电极在机翼加工时铺设在机翼内部。

进一步的，每侧机翼上表面布置3组压力传感器，每组压力传感器均包含8个压力监测点，且同一组压力传感器位于同一翼型截面位置，每组压力传感器的8个压力监测点分别布置在翼型弦长的3％、8％、60％、65％、70％、75％、80％、90％处。

进一步的，所述系统控制器采用PLC控制器，安装有临近空间无人机增效管理装置，该管理装置依据临近空间无人机机翼增效方法的实施步骤编译，接收压力传感器的测量数据，控制等离子体激励器电源控制器和高压输出控制器。

进一步的，等离子体激励器电源为微秒脉冲电源，电压为正弦波形，电压输出范围-10～10kV，放电频率范围1～50kHz，脉冲频率范围10～3000Hz，占空比调节范围0.1～0.9，利用无人机光电池或蓄电池提供能量；所述等离子体激励器电源的输出电压经高压输出控制器调整分配至等离子体激励器。

进一步的，所述高压输出控制器包括高压输入端、受控输入端和高压输出端，高压输入端连接等离子体激励器电源输出端，受控输入端连接至系统控制器，高压输出端连接至等离子体激励器。

进一步的，所述高压输出控制器的高压输出端包括高压触点、高压导入栓、触点承载滑块、永磁铁和电磁铁；其中：

高压导入栓分别连接至等离子体激励器电源的正极和负极，高压接触点分别安装在高压导入栓、触点承载滑块上，通过滑动触点承载滑块实现输出高电压的正负极转换；永磁铁固定在触点承载滑块的端部，与电磁铁相对设置，通过电磁铁转换磁极实现左右滑动，电磁铁通过线路连接至系统控制器，受系统控制器的控制。

进一步的，所述触点承载滑块安装在横向滑槽上。

进一步的，每组等离子体激励器的暴露电极和植入电极均为矩形，暴露电极相对靠近机翼前缘方向，植入电极相对靠近机翼尾缘，所述暴露电极和植入电极分别通过高压导线连接高压输出控制器。

本发明的有益效果为：

1、上述等离子体激励器结构简单，并利用上述等离子体激励器电源施加激励，实现了控制灵活、效果好的微秒脉冲模式的放电射流控制，可对临近空间无人机机翼出现的流动分离现象实施控制；

2、上述等离子体激励器和等离子体激励器电源充分利用了临近空间更易放电产生等离子体的特性，使临近空间无人机机翼等离子体控制流动分离现象的效率更高；

3、上述等离子体激励器、压力传感器在无人机两侧机翼上对称分布，不会影响影两侧气动平衡性能和质量平衡性能；

4、上述等离子体激励器的暴露电极通过暴露电极底座敷设安装，结构简单、易于加工，同时拆卸安装方便，电极宽度可成系列化，根据无人机不同飞行高度和气动特性，可选择不同宽度的暴露与相对应的暴露电极底座组合装配；

5、上述外挂舱体用于单独放置等离子体射流的管理控制系统，便于拆卸安装、调试维护；

6、上述临近空间无人机增效装置通过上述压力传感器实时感知机翼气动特性、反馈控制效果，并根据控制效果优化调整控制策略，实现了主动闭环实时控制，更有利于提高机翼增效的平稳性。

综上所述，本申请提供了一种临近空间无人机增效装置，基于等离子体流动控制技术，通过改善流场质量，进而提高机翼升力，降低阻力，以提高无人机飞行性能，可有效解决临近空间无人机机翼流动分离严重、飞行效率低的问题，同时该装置具有结构紧凑、可靠性高、维护方便等特点。

附图说明

图1为本发明所述临近空间无人机增效装置的安装示意图；

图2为本发明所述临近空间无人机增效装置外挂舱体的剖面示意图；

图3为本发明所述临近空间无人机增效装置的等离子体激励器安装在机翼表面的结构示意图；

图4为本发明所述临近空间无人机增效装置的高压输出控制器的结构示意图；

图5为本发明所述临近空间无人机增效装置的结构原理示意图。

其中有：1-等离子体激励器；11-前缘等离子体激励器；12-近前缘等离子体激励器；13-吸力峰等离子体激励器；14-尾缘等离子体激励器；111-暴露电极；112-植入电极；113-暴露电极底座；2-压力传感器；3-电信号放大器；4-高压输出控制器；41-高压触点；42-触点承载滑块；43-永磁铁；44-电磁铁；45-高压导入栓；5-等离子体激励器电源；6-等离子体激励器电源控制器；7-系统控制器；8-外挂舱体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述临近空间无人机增效装置，包括8组等离子体激励器1、管理控制系统和外挂舱体8；其中，

8组等离子体激励器1对称安装在无人机两侧机翼的上表面；无人机每侧机翼设有4组等离子体激励器1，分别为前缘等离子体激励器、近前缘等离子体激励器、吸力峰等离子体激励器、尾缘等离子体激励器，所述4组等离子体激励器1分别铺设在无人机机翼翼型弦长的5％、25％、45％和95％处。每组等离子体激励器1包括暴露电极111、植入电极112和暴露电极底座113，其中暴露电极底座113嵌入安装在机翼上表面，暴露电极111铺设在暴露电极底座113上，暴露电极底座113上表面、暴露电极111上表面与机翼上表面片平齐，植入电极112在机翼加工时铺设在机翼内部。如图2所示，所述暴露电极111和植入电极112均为矩形，暴露电极111相对靠近机翼前缘方向，植入电极112相对靠近机翼尾缘，暴露电极111和植入电极112在水平方向无间隙，且植入电极宽度为10mm。所述暴露电极111和植入电极112分别通过高压导线连接高压输出控制器4。通过高压输出控制器4的正负电极的转换功能，等离子体激励器1可实现正负电位的反接，诱导产生逆向射流。

所述管理控制系统包括压力传感器2、电信号放大器3、高压输出控制器4、等离子体激励器电源5、等离子体激励器电源控制器6和系统控制器7。

所述压力传感器2共设有6组，对称分布在两侧机翼上表面，每侧机翼上表面布置3组压力传感器2，每组压力传感器2均包含8个压力监测点，且同一组压力传感器2位于同一翼型截面位置，每组压力传感器2的8个压力监测点分别布置在翼型弦长的3％、8％、60％、65％、70％、75％、80％、90％处。

所述压力传感器2通过数据线连接电信号放大器3，电信号放大器用于放大压力传感器2感测的压力信号，将放大后的电信号输送至系统控制器7，所述系统控制器7分别连接等离子体激励器电源控制器6和高压输出控制器4，所述等离子体激励器电源控制器6接收系统控制器7的控制指令并转化为所需的放电激励电源参数、输出到等离子体激励器电源5，所述等离子体激励器电源5的输出端连接高压输出控制器4的输入端，所述高压输出控制器4的输出端连接等离子体激励器1。

所述高压输出控制器4包括高压输入端、受控输入端和高压输出端，高压输入端连接等离子体激励器电源5输出端，受控输入端连接至系统控制器7。高压输出端为8路并行高压输出，8路输出为并列关系，相互之间没有关联，每路输出结构相同，分别连接8组等离子体激励器1。

如图4所示，所述高压输出控制器4的高压输出端的每路输出包括高压触点41、高压导入栓45、触点承载滑块42、永磁铁43和电磁铁44；其中：

高压导入栓45分别连接至等离子体激励器电源5的正极和负极，高压接触点41分别安装在高压导入栓45、触点承载滑块42上，通过滑动触点承载滑块42实现输出高电压的正负极转换；其中，所述触点承载滑块42安装在横向滑槽上，安装在触点承载滑块42上的高压触点可一同在一定范围内横向滑动。永磁铁43固定在触点承载滑块42的端部，与电磁铁相对设置，通过电磁铁44转换磁极实现左右滑动，电磁铁44通过线路连接至系统控制器7，受系统控制器7的控制。

所述系统控制器7采用PLC控制器，安装有临近空间无人机增效管理装置，该管理装置依据临近空间无人机机翼增效方法的实施步骤编译，接收压力传感器2的测量数据，控制等离子体激励器电源控制器6和高压输出控制器4。

等离子体激励器电源6为微秒脉冲电源，电压为正弦波形，电压输出范围-10～10kV，放电频率范围1～50kHz，脉冲频率范围10～3000Hz，占空比调节范围0.1～0.9，利用无人机光电池或蓄电池提供能量；根据等离子体激励器电源控制器的控制指令输出指定参数高压电。所述等离子体激励器电源6的输出电压经高压输出控制器4调整分配至等离子体激励器1。

外挂舱体8，如图2所示，其安装在无人机机体下方，所述外挂舱体8包括圆柱形本体和圆锥形头部；所述圆柱形本体内用于放置管理控制系统的电信号放大器3、高压输出控制器4、等离子体激励器电源5、等离子体激励器电源控制器6和系统控制器7。

图5所示，为本发明所述临近空间无人机增效装置的工作原理示意图，压力传感器2将机翼表面压力信号通过电信号放大器3放大后传送至系统控制器7，系统控制器7根据机翼表面压力分布规律判断流动分离情况，确定激励电源参数和等离子体激励器1开闭及正反接，并将控制信号分别传送至等离子体激励电源控制器6、高压输出控制器4，之后等离子体激励器1工作，机翼流场得到改善，完成一个周期控制。压力传感器2继续将压力信号反馈至系统控制器7，并根据当前控制效果进行决策控制，进入下一个控制周期，依次反复形成闭环实时控制的连续工作。

上述本申请所用的等离子体激励器暴露电极111采用导电率高、不易氧化生锈的金属材料，如铜镀锌材料；暴露电极底座113可采用绝缘性良好、抗辐射的罗杰斯板材；压力传感器2可采用美国科莱特半导体公司制造的XCQ-093动态压力传感器。

综上所述，本申请实现了抑制机翼流动分离、提高飞行效能的功能，同时本申请的装置结构紧凑、模块化设计、拆卸装配方便，实现了闭环反馈主动控制，具有很高的可靠性和实时应变控制能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种临近空间无人机增效装置，其特征在于，包括若干组等离子体激励器(1)、管理控制系统和外挂舱体(8)；其中，

若干组等离子体激励器(1)对称安装在无人机两侧机翼的上表面；

所述管理控制系统包括压力传感器(2)、电信号放大器(3)、高压输出控制器(4)、等离子体激励器电源(5)、等离子体激励器电源控制器(6)和系统控制器(7)；所述压力传感器(2)对称分布在两侧机翼上表面，所述压力传感器(2)通过数据线连接电信号放大器(3)，所述电信号放大器(3)连接系统控制器(7)，所述系统控制器(7)分别连接等离子体激励器电源控制器(6)和高压输出控制器(4)，所述等离子体激励器电源控制器(6)接收系统控制器(7)的控制指令并输出到等离子体激励器电源(5)，所述等离子体激励器电源(5)的输出端连接高压输出控制器(4)的输入端，所述高压输出控制器(4)的输出端连接等离子体激励器(1)；

外挂舱体(8)，其安装在无人机机体下方，所述外挂舱体(8)包括圆柱形本体和圆锥形头部；所述圆柱形本体内用于放置管理控制系统的电信号放大器(3)、高压输出控制器(4)、等离子体激励器电源(5)、等离子体激励器电源控制器(6)和系统控制器(7)。

2.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，包括8组等离子体激励器(1)，无人机每侧机翼设有4组等离子体激励器(1)，所述4组等离子体激励器(1)分别铺设在无人机机翼翼型弦长的5％、25％、45％和95％处。

3.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，每组等离子体激励器(1)包括暴露电极(111)、植入电极(112)和暴露电极底座(113)，其中暴露电极底座(113)嵌入安装在机翼上表面，暴露电极(111)铺设在暴露电极底座(113)上，暴露电极底座(113)上表面、暴露电极(111)上表面与机翼上表面片平齐，植入电极(112)在机翼加工时铺设在机翼内部。

4.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，每侧机翼上表面布置3组压力传感器(2)，每组压力传感器(2)均包含8个压力监测点，且同一组压力传感器(2)位于同一翼型截面位置，每组压力传感器(2)的8个压力监测点分别布置在翼型弦长的3％、8％、60％、65％、70％、75％、80％、90％处。

5.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，所述系统控制器(7)采用PLC控制器，安装有临近空间无人机增效管理装置，该管理装置依据临近空间无人机机翼增效方法的实施步骤编译，接收压力传感器(2)的测量数据，控制等离子体激励器电源控制器(6)和高压输出控制器(4)。

6.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，等离子体激励器电源(6)为微秒脉冲电源，电压为正弦波形，电压输出范围-10～10kV，放电频率范围1～50kHz，脉冲频率范围10～3000Hz，占空比调节范围0.1～0.9，利用无人机光电池或蓄电池提供能量；所述等离子体激励器电源(6)的输出电压经高压输出控制器(4)调整分配至等离子体激励器(1)。

7.根据权利要求1所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，所述高压输出控制器(4)包括高压输入端、受控输入端和高压输出端，高压输入端连接等离子体激励器电源(5)输出端，受控输入端连接至系统控制器(7)，高压输出端连接至等离子体激励器(1)。

8.根据权利要求7所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，所述高压输出控制器(4)的高压输出端包括高压触点(41)、高压导入栓(45)、触点承载滑块(42)、永磁铁(43)和电磁铁(44)；其中：

高压导入栓(45)分别连接至等离子体激励器电源(5)的正极和负极，高压接触点(41)分别安装在高压导入栓(45)、触点承载滑块(42)上，通过滑动触点承载滑块(42)实现输出高电压的正负极转换；永磁铁(43)固定在触点承载滑块(42)的端部，与电磁铁相对设置，通过电磁铁(44)转换磁极实现左右滑动，电磁铁(44)通过线路连接至系统控制器(7)，受系统控制器(7)的控制。

9.根据权利要求8所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，所述触点承载滑块(42)安装在横向滑槽上。

10.根据权利要求3所述的临近空间无人机增效装置，其特征在于，每组等离子体激励器(1)的暴露电极(111)和植入电极(112)均为矩形，暴露电极(111)相对靠近机翼前缘方向，植入电极(112)相对靠近机翼尾缘，所述暴露电极(111)和植入电极(112)分别通过高压导线连接高压输出控制器(4)。