CN110816806A - 一种集群式仿生太阳能无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集群式仿生太阳能无人机，采用最小控制配置的飞翼式布局，并采用常规超轻质材料和结构，结构强度高，包线内无颤振气动弹性危险；环境友好，仿生信天翁式的外形与自然环境很好地融合。利用三架或更多无人机空中协同编组，利用翼尖涡相互削弱抵消的效果，可进一步提高升阻比，延长航时和航程。无人机通过增大翼面积增加太阳能电池板的铺设比例，同时精简控制面，充分减小裸露面积，减少摩擦阻力。动力系统选择外转子无刷电机，并配有电子调速器和高效率螺旋桨，动力系统满足手抛起飞以及长航时所需的高效飞行；无人机的气动设计需使其具有良好滑翔性能和自稳定性；无人机可以搭载多样化载荷，完成不同的飞行任务。

Description

一种集群式仿生太阳能无人机

技术领域

本发明涉及长航时无人机设计领域，具体地说，涉及一种将太阳能飞行器与仿生鸟外形气动布局相结合，兼具环境友好与高效长时间巡航的仿生太阳能无人机。

背景技术

太阳能无人机依靠无污染的太阳能清洁能源，可实现常规能源难以匹敌的长航时飞行，目前获取太阳能的技术主要有光催化、太阳能电池板、太阳能加热等方案，太阳能电池板由于可以直接将太阳光能转化为电能，故在飞行器上得到了一定程度的应用。但由于太阳能的能量密度较低，一般晴朗的夏天可达900瓦每平米，而冬季或阴雨天往往只有100W每平米甚至更低，可用于航空器的轻质太阳能电池板的转化率，目前难以超过25％。

太阳能无人机的设计涉及到飞机设计各领域，如能源参数匹配、动力系统设计、轻质结构设计、高升力气动设计、飞行控制系统设计以及能源和任务管理等。

现有公开技术文献，Zephyr西风系列高空长航时太阳能无人机是由英国国防科技集团和Qinetiq公司联合研制的，至今已有多种型号。2018年空客公司研制的西风S无人机成功试飞，创造了最长航时记录。SKY-SAILOR飞行器是由苏黎世技术研究中心研发的，作为一款适用于未来太空探测的飞行器模型，该无人机重量为2.6kg，翼展为3.2m，最长连续飞行时间超过27小时。国内太阳能无人机在临近空间研究方面取得突破性进展的是中国航天科技集团研制的“彩虹”太阳能无人机。其翼展45m，载荷能力20kg，升限达到20km，滞空时间超过24h。

太阳能密度和太阳能电池板转化率相比于目前飞行器的气动设计水平而言仍然较低。为了维持飞行器能量供需平衡，现代太阳能飞行器往往采用超大展弦比的超轻质结构，通过增加表面积、减轻结构重量的方式，实现不间断的能量供应。由此，超大展弦比给太阳能飞机带来的最主要问题既是结构强度普遍偏低，导致其生存能力差，气弹效应严重，甚至会引发飞行事故。

太阳能飞行器未来发展方向应向小型化飞翼布局发展，以较低的成本，较高的可靠性，同时具备良好的空气动力学效率，达成长航时的目的。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种集群式仿生太阳能无人机；该无人机采用最小控制配置下的飞翼式布局，采用常规超轻质材料和结构；结构强度高、重量轻，可实现无人机长航时安全飞行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:采用最小控制配置下的飞翼式布局，包括机身、机翼、翼梢小翼、平尾舵机、全动平尾、飞控硬件、机翼内电池仓、太阳能电池板、电子调速器、GPS模块、机身内电池仓、螺旋桨和电机，其特征在于所述机身外形为凸出的机腹，尖锐的机头，收缩的尾部，形状似鸟类的体形结构；机身后部连接全动平尾，两侧机翼与机身光滑过渡，机身上部略高于机翼根部；GPS模块、机身内电池仓分别位于机身内前部，飞控硬件位于机身内后部，两组电机对称安装在机身两侧机翼上；机身下部无起落架，可擦地降落；

所述机翼为四边形结构，带后掠角为3.4度，上反角为6.1度，弦长为300毫米，机翼带有几何扭转，安装角为4度，内段正扭转为2度，外段负扭转为0.5度；翼型相对厚度为13％，最大弯度为4％，最大弯度所在弦长位置28％；飞机所采用的高升力翼型，最大升阻比为84，最大升力系数为1.45；机翼上表面铺设若干块柔性太阳能电池板；

所述翼梢小翼位于机翼外端部，翼梢小翼固定不可转动；所述翼梢小翼为锐角梯形结构，弦长从300毫米过渡到100毫米，下反41.2度，后掠31度，扭转角从3.5度过渡到0度；

所述全动平尾与机身后部相连接，全动平尾外形为两个长边相对的钝角梯形，内段弦长为200毫米，外段弦长为80毫米，后掠46度，展长为250毫米，无安装角，外段扭转-1.5度；全动平尾前缘距离机翼前缘420毫米；全动平尾转轴位于平尾中间部位，距离平尾前缘120毫米，平尾舵机位于全动平尾中间。

所述电机为外转子无刷电机，电机安装在机身两侧的机翼前缘，电机有整流罩与机翼融合，整流罩为多段变直径圆构成，电机通过多个转角实现推力线与飞行方向相同；螺旋桨与电机输出轴连接，电子调速器位于电机的后部。

所述太阳能电池板为单晶硅太阳能电池板。

所述翼梢小翼翼型为NACA0012；螺旋桨翼型为APC 1070。

有益效果

本发明提出的一种集群式仿生太阳能无人机，采用最小控制配置，即无方向舵，无副翼、襟翼控制面的飞翼式布局，相比常规式布局具有更小的浸湿面积、阻力大幅优化；使用适当的展弦比和展长，并采用常规超轻质材料和结构，结构面密度达1.5千克每平米；结构强度高，包线内无颤振气动弹性危险；环境友好，仿生“信天翁”的外形与自然环境很好地融合。仿生太阳能无人机进行编组飞行后，可进一步增加航时，其利用飞机之间诱导涡作用，对翼尖涡进行抵消，减少诱导阻力。

本发明集群式仿生太阳能无人机，是一种仿鸟类外形的飞翼式太阳能飞行器；通过增大翼面积增加太阳能电池板的铺设比例，同时尽可能的精简控制面，充分减小裸露面积，减少摩擦阻力。

太阳能电池单体转化效率目前可达23％，铺设在飞行器上后，由于存在翼型以及几何外形的分布，转化率为21％，铺设和几何外形的设计需要满足能量采集与消耗的平衡；动力系统选择外转子无刷电机，并配有电子调速器和高效率螺旋桨。电机效率，即电机轴功率与电机输入功率比值可达90％，螺旋桨效率为60％，电子调速器及压降损耗等效率为90％，动力系统可满足手抛起飞以及长航时所需的高效飞行。飞机的气动设计需使得飞机具有良好滑翔性能，同时具有良好的自稳定性，减少飞行时扰动带来的控制消耗；飞机可以搭载多样化载荷，完成不同的飞行任务。

本发明集群式仿生太阳能无人机，三架飞机编组时，续航时间可提升至30小时，航程提升至960千米。分析生物系统的进化特征与行为规律，利用多无人机协同编队，与生物系统的某些原理和行为相似性，将仿生学引入到研究中，以期获得类似鸟群长途迁徙的功效，如降低飞行阻力、节省能量、延长巡航距离等。同时，可保证不损失升阻特性的情况下降低太阳能飞机的单机展弦比，从而增加其结构强度。此外，由于编队的存在，可将载荷进行分布式挂载，从而降低单机的翼面载荷，或在总重不变的前提下增加了能量储备装置量；且不同单机承担不同的功能，自由匹配，从而增加整个编队的功能灵活性和整体任务挂载能力的提升。采用三架或更多飞机组合空中编组，利用翼尖涡相互削弱抵消的效果，进一步提高升阻比，延长航时和航程。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种集群式仿生太阳能无人机作进一步详细说明。

图1为本发明仿生太阳能无人机结构示意图。

图2为本发明仿生太阳能无人机集群飞行示意图。

图3为本发明仿生太阳能无人机正视图。

图4为本发明仿生太阳能无人机侧视图。

图5为本发明仿生太阳能无人机俯视图。

图6为本发明仿生太阳能无人机升力特性示意图。

图7为本发明仿生太阳能无人机阻力特性示意图。

图8为本发明仿生太阳能无人机升阻比特性示意图。

图9为本发明仿生太阳能无人机纵向力矩特性示意图。

图10为本发明仿生太阳能无人机纵向力和升力曲线示意图。

图11为本发明仿生太阳能无人机飞行包线示意图。

图中

1.机翼 2.平尾舵机 3.全动平尾 4.飞控硬件 5.机翼内电池仓 6.太阳能电池板7.翼梢小翼 8.电子调速器 9.电机 10.机身 11.GPS模块 12.机身内电池仓 13.螺旋桨

具体实施方式

本实施例是一种集群式仿生太阳能无人机。

参阅图1～图5，本实施例集群式仿生太阳能无人机，采用最小控制配置下的飞翼式布局，由机身10、机翼1、翼梢小翼7、平尾舵机2、全动平尾3、飞控硬件4、机翼内电池仓5、太阳能电池板6、电子调速器8、GPS模块11、机身内电池仓12、螺旋桨13和电机9组成；其中，机身10外形轮廓为凸出的机腹，尖锐的机头，收缩的尾部，形状似鸟类的体形结构；机身10后部连接全动平尾3，两侧机翼1与机身10光滑过渡，机身10上部略高于机翼1根部。GPS模块11、机身内电池仓12分别位于机身10内前部，飞控硬件4位于机身10内后部，两组动力系统对称安装在机身的两侧机翼前步；机身下部无起落架，可擦地降落。机翼1为四边形结构，带后掠角为3.4度，上反角为6.1度，弦长为300毫米，总展长3.6米，其中机身150毫米，翼稍200毫米；机翼带有几何扭转，安装角为4度，内段正扭转为2度，外段负扭转为0.5度；翼型相对厚度为13％，最大弯度为4％，最大弯度所在弦长位置28％。飞机所采用的高升力翼型，最大升阻比为84，最大升力系数为1.45；机翼上表面铺设若干块柔性太阳能电池板。翼梢小翼7位于机翼1外端部，翼梢小翼固定不可转动。翼梢小翼为锐角梯形结构，弦长从300毫米过渡到100毫米，下反41.2度，后掠31度，扭转角从3.5度过渡到0度。内翼段翼型为NH-2翼型，翼稍翼型为NACA0012；机翼上铺设太阳能板，无副翼，无襟翼，无缝翼，无扰流板。翼梢小翼7固定不可转动；机翼与机身光滑过渡，有整流设计，机身上侧略高于机翼根部；机身后部连接全动平尾，全动平尾3与机身后部相连接，全动平尾外形为两个长边相对的钝角梯形，内段弦长为200毫米，外段弦长为80毫米，后掠46度，展长为250毫米，无安装角，外段扭转-1.5度。全动平尾前缘距离机翼前缘420毫米；全动平尾3转轴位于平尾中间部位，距离平尾前缘120毫米；平尾舵机2位于全动平尾3中间。飞行器无起落架，机身经特殊设计可以擦地降落；

本实施例电机9为外转子无刷电机，电机9安装在机身两侧的机翼前缘，电机9有整流罩与机翼融合，整流罩为多段变直径圆构成，电机通过多个转角实现推力线与飞行方向相同；螺旋桨13与电机输出轴连接；电子调速器8位于电机9后部。太阳能电池板6为单晶硅太阳能电池板。本实施例中机翼上铺设44块柔性太阳能电池板，每块尺寸125*125毫米，每一侧各分为两组，输出电压约为20V；在太阳能光照度800瓦每平米的情况下，可采集到110瓦的功率，满足10米每秒飞行速度所需的60瓦功率要求，可实现完全依赖太阳能驱动的飞行。

本实施例集群式仿生太阳能无人机编队飞行模式

如图2所示，整个编队由多架同外形尺寸的仿生太阳能无人机组成。在整个编队的最前方布置一架太阳能无人机为长机；在长机之后的两侧靠外的位置，分别布置一架同外形尺寸的太阳能无人机为僚机1A、僚机1B。前后无人机之间的机翼，从正前方进行观察，应在一定的航向间距范围内。此时前后两机的翼尖涡有部分或完全的重合，且翼尖涡翻卷方向相反，从而可以相互削弱。在第一对僚机1A、僚机1B的后方，还可继续在其各自方向的外侧布置下一对的僚机2A、僚机2B。依此类推，从而使整个编队呈“人”字形不断向后扩展。

编队时，以机头衡量，后侧无人机与前机前后间距为1.5～2.5米，侧向间距3.0～3.6米，高度间距-0.5～0.5米。此时可获得最佳的空气动力学增益。

采用三架或更多飞机组合空中编组，利用翼尖涡相互削弱抵消的效果，进一步提高升阻比，延长航时和航程。

本实施例中，仿照大雁集群飞行中翼尖涡相互削弱，节约能量，增加飞行距离的原理，提出太阳能飞机仿大雁编队集群式飞行。克服了太阳能飞机实际设计过程中遇到的超大展弦比导致的结构强度不足的问题，将单一无人机飞行组合为编队集群无人机，在保证整体气动特性不降低的情况下，大大降低了单个无人机的展弦比设计指标，降低了无人机结构设计的难度，提高了固定翼仿生太阳能无人机的生存能力和可靠性。并已成功应用于一型太阳能无人机的集群设计。带来20％～30％的升阻比提升，极大的延长了该型太阳能无人机的航时和航程，同时使得该型太阳能无人机的结构设计难度显著的降低，分布式任务载荷的挂载方式充分拓宽了其应用的灵活性；整体应用效果显著。

本实施例设计特点分析

本实施例仿生太阳能无人机的参数指标:展长3.6米，机长0.8米，最大起飞重量5千克，空机重量2.1千克，标配电池重量1.2千克，有效载荷0.5千克，续航时间24小时，飞行速度10米每秒。

本实施例采用仿“信天翁”式气动布局设计，鸟类的外形特征使得飞行器可很好的融入天空，对动物的视觉惊扰尽可能小；该外形的展弦比较大，从而有效降低诱导阻力；同时通过设计中的自配平，巡航时压心与重心重合，减少了因配平需求带来的升降舵舵偏量，从而达到减阻增升。

本实施例仿生太阳能无人机，取消了垂直安定面，减少其浸湿面积，降低摩擦阻力，航向操纵代之以双发动机差动控制；取消了副翼，避免横向操纵面带来的阻力，通过机翼上反保证飞机滚转稳定；通过全动平尾，保证其俯仰操纵性；使用翼尖小翼，降低诱导阻力，将飞机升阻比提升4％的同时，与上反机翼相配合，满足横侧向的稳定性；采用优化后的翼型和机身外形，极大提升了全机升阻特性；翼身融合设计，降低阻力的同时增大了装载空间；高效的气动特性使得动力系统需求功率低，可以实现高效低噪的巡航，不易被飞鸟和地面动物察觉并延长航时航程。使用高性能柔性太阳能电池板，保证了机翼上表面外形和整体强度。

固定翼飞机在飞行过程中，存在沿机翼翼展方向的流动，即上翼面气流向翼根流动，下翼面气流向翼尖流动，由此在机翼翼尖形成从机翼下表面向机翼上表面翻卷的尾涡。该尾涡在翼尖处的局部下洗导致翼尖有效迎角降低，升力的向后分量增加，产生诱导阻力。当后机翼尖处在前机另一侧翼尖的尾涡中时，前后两机的翼尖涡方向相反，从而相互削弱，有效降低前后两机的诱导阻力。

参阅图6～图11，本实施例展示了仿生太阳能无人机的气动特性。该气动布局设计在海拔高度500米，设计飞行速度10m/s的条件下，带来的升阻比可达到21，远高于同尺度下的其它布局。将机翼与机身接合部分进行了融合设计，有效减少了翼身接合处流动的涡量，从而显著降低了该处的能量损耗，降低了干扰阻力。

翼型和机身优化采用粒子群优化算法，基于FFD方法进行变形，从而保证优化过程中表面曲率的连续性。优化后的翼型升阻比提高33％，机身升阻比提高10％，全机整体升阻比提高21％。

本实施例经过气动计算、飞行性能验算和飞行实验，给出飞机气动特性和性能验算的结果，包括全机升阻特性，全机俯仰力矩特性，飞行包线。

飞机为纵向静稳定型设计，飞机动力学分析表明，按GB-86有人飞行器飞行品质要求中，轻小类，急剧机动类飞行要求，飞机的各模态品质评价结果均达到一级飞行品质。

Claims (4)

1.一种集群式仿生太阳能无人机，采用最小控制配置下的飞翼式布局，包括机身、机翼、翼梢小翼、平尾舵机、全动平尾、飞控硬件、机翼内电池仓、太阳能电池板、电子调速器、GPS模块、机身内电池仓、螺旋桨和电机，其特征在于:所述机身外形为凸出的机腹，尖锐的机头，收缩的尾部，形状似鸟类的体形结构；机身后部连接全动平尾，两侧机翼与机身光滑过渡，机身上部略高于机翼根部；GPS模块、机身内电池仓分别位于机身内前部，飞控硬件位于机身内后部，两组电机对称安装在机身两侧机翼上；机身下部无起落架，可擦地降落；

所述机翼为四边形结构，带后掠角为3.4度，上反角为6.1度，弦长为300毫米，机翼带有几何扭转，安装角为4度，内段正扭转为2度，外段负扭转为0.5度；翼型相对厚度为13％，最大弯度为4％，最大弯度所在弦长位置28％；飞机所采用的高升力翼型，最大升阻比为84，最大升力系数为1.45；机翼上表面铺设若干块柔性太阳能电池板；

所述翼梢小翼位于机翼外端部，翼梢小翼固定不可转动；所述翼梢小翼为锐角梯形结构，弦长从300毫米过渡到100毫米，下反41.2度，后掠31度，扭转角从3.5度过渡到0度；

所述全动平尾与机身后部相连接，全动平尾外形为两个长边相对的钝角梯形，内段弦长为200毫米，外段弦长为80毫米，后掠46度，展长为250毫米，无安装角，外段扭转-1.5度；全动平尾前缘距离机翼前缘420毫米；全动平尾转轴位于平尾中间部位，距离平尾前缘120毫米，平尾舵机位于全动平尾中间。

2.根据权利要求1所述的集群式仿生太阳能无人机，其特征在于:所述电机为外转子无刷电机，电机安装在机身两侧的机翼前缘，电机有整流罩与机翼融合，整流罩为多段变直径圆构成，电机通过多个转角实现推力线与飞行方向相同；螺旋桨与电机输出轴连接，电子调速器位于电机的后部。

3.根据权利要求1所述的集群式仿生太阳能无人机，其特征在于:所述太阳能电池板为单晶硅太阳能电池板。

4.根据权利要求1所述的集群式仿生太阳能无人机，其特征在于:所述翼梢小翼翼型为NACA0012；螺旋桨翼型为APC 1070。

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