CN108189997B - 平流层飞艇离子风电推进装置 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及临近空间低速飞行器动力技术领域，尤其涉及平流层飞艇离子风电推进装置。
背景技术
以平流层飞艇为代表的临近空间低速飞行器具有连续探测时间长、安全性高、探测覆盖范围广等优势，在军用和民用上均有广阔的应用前景。平流层飞艇主要依靠飞艇浮力升空，由动力装置抵消空气阻力，实现飞艇的长期飞行和定点控制。目前在国内外的平流层飞艇动力系统设计中，一般考虑太阳能电池、电动机和螺旋桨的组合。为了面向临近空间低雷诺数大气风场流动环境，平流层飞艇螺旋桨多采用大桨径的高空螺旋桨设计。在20km高度，高空螺旋桨的典型桨径为10m左右。随着高度进一步增加至20km以上，大气密度将逐步下降至1至2个量级，高空螺旋桨推力同步下降，此时桨径的增加对推力提升效果微弱，因而限制了平流层飞艇高度。目前平流层飞艇高度多在15km至20km，受到对流层边缘天气效应影响，降低了其安全性和探测范围，无法充分发挥平流层的高度优势。
综上,现有技术中缺乏飞行高度超过20km,能够稳定飞行的飞艇。
发明内容
本发明提供了平流层飞艇离子风电推进装置，能够在飞行高度超过20km，低于50km的高度，平稳的飞行。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
平流层飞艇离子风电推进装置，其包括：圆形导引扇、圆形电晕扇、第一支撑轴、隔离环、导线线缆。
圆形导引扇和圆形电晕扇的轴心位置分别与第一支撑轴的两端垂直连接，第一支撑轴外围套着隔离环，隔离环安装在圆形导引扇和圆形电晕扇之间，圆形导引扇和圆形电晕扇共同连接导线线缆。
进一步的，圆形导引扇包括：导引扇外环、导引扇导杆、导引扇支撑杆、导引扇丝线、导引扇内环。
进一步的，圆形导引扇圆心处设置导引扇内环，导引扇内环通过导引扇支撑杆和导引扇外环连接，导引扇支撑杆沿圆形导引扇的径向安装。
导引扇支撑杆之间设置导引扇导杆，导引扇导杆沿圆形导引扇的径向安装，并连接导引扇内环和导引线外环。圆形导引扇沿周向均匀安装导引扇丝线，导引扇丝线连接导引扇导杆。
圆形电晕扇包括：电晕扇外环、电晕扇导杆、电晕扇支撑杆、电晕扇丝线、电晕扇内环。
圆形电晕扇圆心处设置电晕扇内环，电晕扇内环通过电晕扇支撑杆和电晕扇外环连接，电晕扇支撑杆沿圆形电晕扇的径向安装。
电晕扇支撑杆之间设置电晕扇导杆，电晕扇导杆沿圆形电晕扇(2)的径向安装，并连接电晕扇内环和电晕扇外环，圆形电晕扇沿周向均匀安装电晕扇丝线，电晕扇丝线连接电晕扇导杆。
进一步的，导引扇丝线和电晕扇丝线在第一支撑轴垂直平面上的投影交错不重合。导引扇导杆和电晕扇导杆在第二支撑轴垂直平面上的投影不重合。不重合可以提高加速效率。若重合，可以减少总体阻力。
进一步的，导引扇导杆和电晕扇导杆采用的材料包括：铝合金或钛合金。
进一步的，导引扇丝线和电晕扇丝线采用的材料包括：铜、不锈钢、钨。导引扇丝线和电晕扇丝线表面镀面镀有10-100微米厚度金属金，避免氧化或离子腐蚀。
本发明的工作原理是：电晕扇丝线和导引扇丝线分别连接高压电源的输出电极和接地电极启动高压电源，电晕扇丝线24附近的大气被电离，产生大量离子；离子受到电场作用向圆形导引扇1漂移，在漂移过程中不断碰撞中性气体分子，被碰撞的中性气体分子加速向圆形导引扇1运动，推动圆形导引扇1前进；圆形导引扇1固定安装在平流层飞艇的前进方向上，进而带动平流层飞艇前进。
当平流层飞艇需要向后运动时，切换高压电源的连接方式，电源输出极连接导引扇丝线14，电源接地极连接电晕扇丝线24，此时将加速空气从圆形导引扇1向圆形电晕扇2运动，产生向后推力，带动平流层飞艇向后运动。
通过调节高压电源输出电压大小，可以改变离子风电推进装置所产生的推力大小，从而调节平流层飞艇的运动速度。
平流层飞艇离子风电推进装置，包括：方形导引扇、方形电晕扇、隔离柱。
方形导引扇和方形电晕扇形状相同，均为长方形。在对应的顶点处，分别通过四个隔离柱连接，隔离柱和方形导引扇，方形电晕扇垂直。
进一步的，方形导引扇包括导引扇框和导引扇丝线，导引扇丝线和导引扇框的宽边平行，两端固定在导引扇框的长边上。
方形电晕扇包括电晕扇框和电晕扇丝线，电晕扇丝线和电晕扇框的宽边平行，两端固定在电晕扇框的长边上。
本发明的工作原理是：电晕扇丝线和导引扇丝线分别连接高压电源的输出电极和接地电极；启动高压电源，电晕扇丝线产生电晕放电，产生大量正离子，由于导引扇丝线的电压较低，正离子受到电场力作用，向方形导引扇漂移，并且在漂移过程不断与中性气体分子碰撞，加速中性气体分子向方形导引扇运动，从而推动方形导引扇向前运动。
本发明的有益效果是：电晕扇和导引扇组合连接，并且中间间隔一定的距离，电晕扇连接高压电源的输出电极，导引扇连接高压电源的接地电极，当电晕扇产生电晕作用，产生大量正离子时，能够推动附近的中性气体分子，从而产生推力，作用于与之固定连接的导引扇，从而促使导引扇带动整个装置以及平流层飞艇运动；由于本发明中对导引扇的推力取决于施加的电压强度，避免了螺旋桨在高空大气稀薄的情况下，提升力的较弱的缺点，受大气风场影响小，更适用于平流层风场环境，从而能实现20km以上高空平稳的飞行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例一的侧视图；
图3为实施例二的结构示意图；
图4为实施例二的俯视图；
图5为实施例二的前视图；
图6为本发明的安装示意图；
图7为推力与偏压关系图；
图8为推力与风速关系图；
图9为推力与高度关系图。
其中，1-圆形导引扇、2-圆形电晕扇、3-第一支撑轴、4-第二支撑轴、5-隔离环、6-导线线缆、7-方形导引扇、8-方形电晕扇、9-隔离柱、11-导引扇外环、12-导引扇导杆、13-导引扇支撑杆、14-导引扇丝线、15-导引扇内环、21-电晕扇外环、22-电晕扇导杆、23-电晕扇支撑杆、24-电晕扇丝线、25-电晕扇内环、71-导引扇框、81-电晕扇框、101-尾舵、102-吊舱、103-飞艇。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一
平流层飞艇离子风电推进装置，如图1、图2所示，包括：圆形导引扇1、圆形电晕扇2、第一支撑轴3、第二支撑轴4、隔离环5、导线线缆6，圆形导引扇1和圆形电晕扇2的轴心位置分别与第一支撑轴3的两端垂直连接，圆形电晕扇2还在轴心处垂直安装第二支撑轴,第二支撑轴4用于连接平流层飞艇。第一支撑轴3外围套着隔离环3，隔离环3安装在圆形导引扇1和圆形电晕扇2之间，圆形导引扇1和圆形电晕扇2共同连接导线线缆6，导线线缆6收入第一支撑轴3内部，通过第二支撑轴4内部伸出，连接高压电源，高压电源置于平流层飞艇内部。
圆形导引扇1包括：导引扇外环11、导引扇导杆12、导引扇支撑杆13、导引扇丝线14、导引扇内环15。
圆形导引扇1圆心处设置导引扇内环15，导引扇内环15通过导引扇支撑杆13和导引扇外环11连接，导引扇支撑杆13沿圆形导引扇1的径向安装。导引扇支撑杆13之间设置导引扇导杆12，导引扇导杆12沿圆形导引扇1的径向安装，并连接导引扇内环15和导引线外环11。圆形导引扇1沿周向均匀安装导引扇丝线14，导引扇丝线14连接导引扇导杆12。
圆形电晕扇2包括：电晕扇外环21、电晕扇导杆22、电晕扇支撑杆23、电晕扇丝线24、电晕扇内环25，圆形电晕扇2圆心处设置电晕扇内环25，电晕扇内环25通过电晕扇支撑杆23和电晕扇外环21连接，电晕扇支撑杆23沿圆形电晕扇2的径向安装。电晕扇支撑杆23之间设置电晕扇导杆22，电晕扇导杆22沿圆形电晕扇2的径向安装，并连接电晕扇内环25和电晕扇外环21。圆形电晕扇2沿周向均匀安装电晕扇丝线24，电晕扇丝线24连接电晕扇导杆22。
电晕扇外环21和导引扇外环11的直径为10m，均由厚度为3cm的铝合金段圆弧结构拼接形成。
电晕扇导杆22由直径3mm，长度5m的铝合金圆棒制成，一共8根，根据电晕扇丝线24的圈数和直径在圆棒上钻有相应通孔；导引扇导杆12由直径3mm，长度5m的铝合金圆棒制成，一共8根，根据导引扇丝线14的圈数和直径在圆棒上钻有相应通孔。
电晕扇支撑杆23由直径8mm，长度5m的铝合金圆棒制成，一共4根，根据电晕扇丝线24的圈数钻有相应通孔；导引扇支撑杆13由直径8mm，长度5m的铝合金圆棒制成，一共4根，根据导引扇丝线14圈数钻有相应通孔。
电晕扇外环21和电晕扇内环25根据电晕扇导杆22和电晕扇支撑杆23的数量和尺寸在环面上设置通孔，用于固定电晕扇导杆22和电晕扇支撑杆23；导引扇外环11和导引扇内环15根据导引扇导杆12和导引扇支撑杆13的数量和尺寸在环面上设置相应通孔，用于固定导引扇导杆12和导引扇支撑杆13。
电晕扇丝线24由直径0.3mm不锈钢丝制成，外层镀约10微米至100微米厚度的金属金；电晕丝线24穿过电晕支撑杆23焊接在电晕扇导杆22上，形成规则同心圆形结构。
导引扇丝线14由直径0.3mm不锈钢丝制成，外层镀约10微米至100微米厚度的金属金；导引扇丝线14所形成的同心圆环半径与电晕扇丝线24所形成的圆环半径大小交错。电晕扇丝线24所形成的圆环半径由0.5m起步，以0.2m的步长递增至4.7m，导引扇丝线14所形成的圆环半径由0.6m起步，以0.2m的步长递增至4.8m。
导引扇内环15结构包括和第二支撑轴4接触的外层结构和内层结构两部分。外层结构由直径40cm厚度5cm的聚四氟乙烯材料制成，内层结构由直径30cm厚度1cm的铝合金材料制成。导引扇内环15根据导引扇导杆11和导引扇支撑杆13的数量和尺寸在环面上钻有通孔，在第二支撑轴内部通过内层结构将导引扇导杆11和导引扇支撑杆13电学连通。导引扇内环15嵌接在第二支撑轴4上，在第二支撑轴4上采用8颗螺丝固定。导引扇内环15的内层结构与导线线缆6连接。
电晕扇内环25结构包括和第一支撑轴3接触的外层结构和内层结构两部分。外层结构由直径40cm厚度5cm的聚四氟乙烯圆管制成，内层结构由直径30cm厚度2cm的铝合金圆管制成。电晕扇内环25根据电晕扇导杆22和电晕扇支撑杆23的数量和尺寸在环面上钻有通孔，在第一支撑轴3内部通过内层结构将电晕扇导杆22和电晕支撑杆23电学连通。电晕扇内环25嵌接在第二支撑轴4上，在第二支撑轴4上采用8颗螺丝固定。电晕扇内环25的内层结构与导线线缆6连接。
导引扇内环25的结构和尺寸与电晕扇内环15相同。
第二支撑轴4为三层同轴内部中空结构，第二支撑轴4外层为直径35cm厚度1.5cm的聚四氟乙烯绝缘材料圆管；中间层为厚度2cm的不锈钢材料圆管；内层为厚度1.5cm的聚四氟乙烯绝缘材料圆管。
导线线缆6采用两根单芯高压电缆，耐压范围为5000V至30000V。导线线缆6的两根单芯高压电缆分别与高压电源供电极和接地极连接，另一端在第二支撑轴4内部分别与电晕扇内环25和导引扇内环15连接。
隔离环5由聚四氟乙烯绝缘材料制成，长度为5cm～20cm，用于固定电晕扇内环25与导引扇内环15的距离。
本实施例在实用时，启动高压电源，电晕扇丝线24附近的大气被电离，产生大量离子；离子受到电场作用向圆形导引扇1漂移，在漂移过程中不断碰撞中性气体分子，被碰撞的中性气体分子加速向圆形导引扇1运动，推动圆形导引扇1前进；圆形导引扇1固定安装在平流层飞艇的前进方向上，进而带动平流层飞艇前进。
当平流层飞艇需要向后运动时，切换高压电源的连接方式，电源输出极连接导引扇丝线14，电源接地极连接电晕扇丝线24，此时将加速空气从圆形导引扇1向圆形电晕扇2运动，产生向后推力，带动平流层飞艇向后运动。
通过调节高压电源输出电压大小，可以改变离子风电推进装置所产生的推力大小，从而调节平流层飞艇的运动速度。
高压电源供电电压在5000V～30000V之间连续可调，供电电流在10mA～1A之间，高压电源为频率1kHz以下的高压脉冲电源，或者是直流高压电源。
对于马赫数0.3以下的平流层飞艇运动中性气体在圆形电晕扇1和圆形导引扇2之间的Navi er-Stokes方程可以描述为：
式中
为电晕放电产生的离子对中性分子碰撞所产生的单位体积作用力，可以表述为电荷浓度ρE与电场强度
的乘积：
即中性分子流经圆形电晕扇1和2圆形导引扇2之间时，受到它们的电场力作用，当中性气体流过圆形导引扇2时，离子电荷多被圆形导引扇2所吸收或自行复合，气体离子恢复电中性，此时圆形电晕扇1和圆形导引扇2对其不再有作用力；因此圆形电晕扇1和2圆形导引扇2对它们之间的中性气体有加速的作用力
根据牛顿第三定律，圆形电晕扇1和2圆形导引扇2同时受到反作用力，其大小与
相同，方向相反。
以40km高度为例,大气分子数密度约1016个/cm3,当在电晕扇丝线24上施加15kV高压,使得附近气体分子电离率达到1％时,则在电离区形成电离电荷密度ρ约为10-5C/cm3；在电离区外为离子电荷的漂移扩散区,离子电荷将逐步复合；若此时圆形电晕扇1与圆形导引扇2直径均为5m,它们的距离为6cm,且电晕扇丝线24直径rc为1mm,则电离区长度约为2cm,漂移区长度约为4cm,考虑漂移区的电离率和复合率后,计算可知圆形电晕扇1与圆形导引扇2之间平均电荷总量约为0.5C,计入电离区电荷的影响,在漂移区的平均电场强度约为103V/m,最终可获得的推力约为500N。
本实施例中,安装位置如图6所示，安装在101尾舵位置。
随着电晕扇丝线24偏压的增加，大气电离率和平均电场强度均会增加，因此有效推力也会有所上升，如图7所示。不过随着电晕扇丝线24偏压增加，电离区长度也将不断扩大，若圆形电晕扇1与圆形导引扇2之间距离未变，则可能使得电离区内同时出现导引扇，此时有可能由电晕放电发展至电弧放电，最终导致电晕扇丝线24烧毁。因此施加高压时，必须保证电离区长度小于电圆形电晕扇1与圆形导引扇2之间的间距。
根据气体放电规律，随着大气密度下降，相同偏压下大气电离率将先提高至峰值后逐步下降，根据帕邢定律，该峰值位置与大气压强和圆形电晕扇1与圆形导引扇2之间距离相关，当采用合适的距离时，可以保障在20km至50km高度，相同偏压条件下大气电离率随着高度增加而不断增加，此时有效推力随高度变化如附图8所示。
大气风场对推力的影响如附图9所示。由于平流层大气风场最高速度多处于100m/s附近，相比高压电晕扇丝线24对大气的电离速度较慢，因此大气风场对推力基本无影响。需注意的是大气风速增加时，所造成的平流层飞艇阻力会明显增加，此时需要加大偏压来抵消大气风场影响。
实施例二
平流层飞艇离子风电推进装置，如图3、图4、图5所示，包括：方形导引扇7、方形电晕扇8、隔离柱9。
方形导引扇7和方形电晕扇8形状相同，均为长方形。在对应的顶点处，分别通过四个隔离柱9连接，隔离柱9和方形导引扇7，方形电晕扇8垂直。
方形导引扇7包括导引扇框71和导引扇丝线14，导引扇丝线14和导引扇框71的宽边平行，两端固定在导引扇框71的长边上。
方形电晕扇8包括电晕扇框81和电晕扇丝线24，电晕扇丝线24和电晕扇框81的宽边平行，两端固定在电晕扇框81的长边上。
电晕扇框81由铝合金制成，为长方体边框结构，长度10m，宽度2cm，高度5m。电晕扇框81以垂直阵列形式穿接电晕扇丝线24；电晕扇丝线24由直径0.2mm不锈钢丝制成，外层镀有10微米至100微米厚度金镀层；
导引扇框71由铝合金制成，为长方体边框结构，长度10m，宽度2cm，高度5m。导引扇框71以垂直阵列形式穿接导引扇丝线14；导引扇丝线14由直径0.2mm不锈钢丝制成，外层镀有10微米至100微米厚度金镀层。导引扇丝线14与电晕扇丝线24以0.2m间距呈阵列分布，距离导引扇框71，0.4m。
隔离柱9材料为聚四氟乙烯，是直径1cm，长度10cm的圆管，隔离柱9嵌入电晕扇框81和导引扇框71，采用螺丝固定。
高压电源位于平流层飞艇内部，其供电极经导线连接电晕扇框81，接地极经导线连接导引扇框71。
高压电源供电电压在5000V～30000V之间连续可调，供电电流在10mA～100mA之间，高压电源为频率1kHz以下的高压脉冲电源，或者是直流高压电源。
本实施例中,安装位置如图6所示，安装在102吊舱位置。
本实施例的工作原理是：电晕扇丝线24和导引扇丝线14分别连接高压电源的输出电极和接地电极；启动高压电源，电晕扇丝线24产生电晕放电，产生大量正离子，由于导引扇丝线14的电压较低，正离子受到电场力作用，向方形导引扇漂移7，并且在漂移过程不断与中性气体分子碰撞，加速中性气体分子向方形导引扇7运动，从而推动方形导引扇7向前运动。
本发明的有益效果是：
(1)电晕扇和导引扇组合连接，并且中间间隔一定的距离，电晕扇连接高压电源的输出电极，导引扇连接高压电源的接地电极，当电晕扇产生电晕作用，产生大量正离子时，能够推动附近的中性气体分子，从而产生推力，作用于与之固定连接的导引扇，从而促使导引扇带动整个装置以及平流层飞艇运动；由于本发明中对导引扇的推力取决于施加的电压强度，避免了螺旋桨在高空大气稀薄的情况下，提升力的较弱的缺点，受大气风场影响小，更适用于平流层风场环境，从而能实现20km以上高空平稳的飞行；
(2)平流层飞艇离子风电推进装置无机械运动，噪声小，相比燃料推进红外可见度更低；
(3)平流层飞艇离子风电推进装置推力受大气风场影响小，更适用于平流层风场环境；
(4)平流层离子风电推进装置与现有高空螺旋桨推进装置相比，重量更轻，设计更为简单，推力与功耗比更大，无螺旋桨转动扭矩平衡要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.平流层飞艇离子风电推进装置，其特征在于，包括：圆形导引扇（1）、圆形电晕扇（2）、第一支撑轴（3）、隔离环（5）、导线线缆（6），
圆形导引扇（1）和圆形电晕扇（2）的轴心位置分别与第一支撑轴（3）的两端垂直连接，
第一支撑轴（3）外围套着隔离环（5），隔离环（5）安装在圆形导引扇（1）和圆形电晕扇（2）之间，圆形导引扇（1）和圆形电晕扇（2）共同连接导线线缆（6）；
圆形导引扇（1）包括：导引扇外环（11）、导引扇导杆（12）、导引扇支撑杆（13）、导引扇丝线（14）、导引扇内环（15），
圆形导引扇（1）圆心处设置导引扇内环（15），导引扇内环（15）通过导引扇支撑杆（13）和导引扇外环（11）连接，导引扇支撑杆（13）沿圆形导引扇（1）的径向安装，
导引扇支撑杆（13）之间设置导引扇导杆（12），导引扇导杆（12）沿圆形导引扇（1）的径向安装，并连接导引扇内环（15）和导引扇外环（11），
圆形导引扇（1）沿周向均匀安装导引扇丝线（14），导引扇丝线（14）连接导引扇导杆（12）；
圆形电晕扇（2）包括：电晕扇外环（21）、电晕扇导杆（22）、电晕扇支撑杆（23）、电晕扇丝线（24）、电晕扇内环（25）；
圆形电晕扇（2）圆心处设置电晕扇内环（25），电晕扇内环（25）通过电晕扇支撑杆（23）和电晕扇外环（21）连接，电晕扇支撑杆（23）沿圆形电晕扇（2）的径向安装，
电晕扇支撑杆（23）之间设置电晕扇导杆（22），电晕扇导杆（22）沿圆形电晕扇（2）的径向安装，并连接电晕扇内环（25）和电晕扇外环（21），
圆形电晕扇（2）沿周向均匀安装电晕扇丝线（24），电晕扇丝线（24）连接电晕扇导杆（22）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导引扇丝线(14)和电晕扇丝线(24)在第一支撑轴(3)垂直平面上的投影交错不重合；
导引扇导杆（12）和电晕扇导杆（22）在第一支撑轴（3）垂直平面上的投影交错不重合。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导引扇导杆（12）和电晕扇导杆（22）采用的材料包括：铝合金、钛合金。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导引扇丝线（14）和电晕扇丝线（24）采用的材料包括：铜、不锈钢、钨,并且导引扇丝线（14）和电晕扇丝线（24）表面镀有10-100微米厚度金属金。
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