CN113086154A - 一种飞艇与无人机异构组合的飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，包括平流层飞艇和若干无人机，平流层飞艇包括外蒙皮、主气囊、前副气囊、中副气囊、后副气囊、尾翼、结构骨架、结构吊舱和推进系统，推进系统包括分布在平流层飞艇两侧和尾部的三个电机螺旋桨，主气囊充有氦气提供浮力，副气囊充有空气实现姿态和高度调节，所述无人机悬挂在平流层飞艇的腹部或者埋藏在平流层飞艇的结构吊舱，无人机包括固定翼无人机、太阳能无人机和变体无人机。本发明充分利用了飞艇高空长期驻空和无人机低成本功能多样的优势，可以实现区域侦查打击、快速响应等作战能力。

Description

一种飞艇与无人机异构组合的飞行器

技术领域

本发明属于飞行器总体气动设计技术领域，具体为一种飞艇与低成本无人机异构组合的飞行器。

背景技术

平流层飞艇依靠浮升气体提供静升力，依靠推进系统和控制系统实现操纵飞行，能够利用太阳能实现能量闭环达到长期工作的状态；平流层飞艇可以弥补当前空天领域的作战空白，完善空天一体作战系统，可通过携带可见光、红外、高光谱、激光和微波等载荷，实现对我国重点和周边热点区域进行全天时、全天候观测，能有效提升我军战场侦察监视、目标侦察定位、打击效果评估、区域预警探测等能力。平流层飞艇驻空高度适中，可以实现在高原山区等地区的通信中继。无人机是一种低成本、多功能飞行器，根据不同的作战任务分为低速无人机、高速无人机和超声速无人机，根据布局特点又可以分为固定翼无人机、无尾飞翼、变体飞行器等。随着计算机技术、自动驾驶技术、材料技术、信息技术、人工智能等高科技的发展，无人机的功能和智能水平逐步提升，无人机在民用和军事领域的应用越来越广泛。中小型无人机通常航程和航时有限，作战半径较小，对于起飞和降落的场地要求较高。未来作战对飞行器的要求越来越高，不但需要长航时远航程，还要满足灵活多变，即时响应的目的，因此考虑到飞艇和无人机各自的优势，本专利提出了一种将高空长航时飞艇与低成本无人机异构组合的新概念飞行器。

发明内容

本发明意在提供一种飞艇与低成本无人机异构组合的飞行器，以满足现代战争中对飞行器的长航时远航程，灵活多变，即时响应的要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，包括平流层飞艇和若干无人机，所述平流层飞艇包括外蒙皮、主气囊、前副气囊、中副气囊、后副气囊、尾翼、结构骨架、结构吊舱和推进系统，所述推进系统包括分布在平流层飞艇两侧和尾部的三个电机螺旋桨，所述主气囊充有氦气提供浮力，三个副气囊充有空气实现浮重平衡和姿态调整，所述无人机悬挂在平流层飞艇的腹部或者埋藏在平流层飞艇的结构吊舱。

优选地，所述结构骨架包括纵拉杆和多个加劲环，所述结构骨架中部的一加劲环和纵拉杆的交点处连接有四根斜支架，四根斜支架的自由端连接有同一L型固定支架，所述平流层飞艇两侧的电机螺旋桨分别与同侧的L型固定支架连接。

优选地，所述平流层飞艇的顶部贴有太阳能电池片，所述平流层飞艇的吊舱内安装有蓄能电池，所述太阳能电池片和电机螺旋桨均与蓄能电池电连接，所述无人机能够通过蓄能电池充电。

优选地，所述平流层飞艇的长度为100m～250m，所述平流层飞艇的细长比为2.5～4。

优选地，所述平流层飞艇的尾翼采用倒“Y”型设计。

优选地，所述平流层飞艇上设有与无人机连接的通讯模块。

采用上述技术方案，本发明申请具有如下有益效果：

(1)飞艇载荷量大、留空时间长、覆盖范围广，实现空中长期待命；

(2)飞艇依靠浮升气体提供静升力，采用太阳能作为艇体能量来源，具有低能耗等优点；

(3)飞艇可实现空地往返，可重复使用，载荷更换、维修方便；

(4)飞艇为充气柔性结构，艇囊多采用复合材料，可探测性低，隐身性能好；

(5)飞艇驻空高度超出现有战斗机和常规防空导弹的攻击范围，具有较强的生存能力；

具体地，本发明申请高度融合了飞艇和无人机各自的优势，利用飞艇的大载荷可以实现同时携带多架无人机升空，由于飞艇升空不需要消耗额外燃料，还可以节约无人机由于起飞消耗的能量，提高无人机的航程和航时。通过高空投放无人机也可以利用飞艇高空带来的重力势能，无人机释放的过程也是将重力势能转化为动能的过程，可以提高无人机的作战半径和飞行时间。平流层飞艇可以利用太阳能实现昼夜能量闭环，因此飞艇携带无人机可以实现长期随时驻空待命，一旦有需求可以实现及时响应。平流层飞艇驻空高度适中，可以实现对低高分辨率侦查和通信，特别是在高原山区等地区为无人机提供高性能的通信导航服务。无人机通过飞艇携带至高空，具有充足的重力势能，一旦地区发生局部冲突，无人机可以快速响应利用重力势能转化动能的方式实现远航程的侦查打击任务。因此飞艇与无人机的组合充分利用了飞艇高空长期驻空和无人机低成本功能多样的优势，组合后的飞行器作战能力明显增加，可以实现区域侦查打击、快速响应等作战能力，有效提升了现有无人机的功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器采用挂钩挂载无人机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器采用结构吊舱挂载无人机的结构示意图；

图3为斜支架和L型固定支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：主气囊1、无人机2、前副气囊3、中副气囊4、后副气囊5、尾翼6、结构吊舱7、电机螺旋桨8、纵拉杆9、加劲环10、斜支架11、L型固定支架12。

如图1和图2所示的，一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，包括平流层飞艇和若干无人机2，平流层飞艇包括外蒙皮、主气囊1、前副气囊3、中副气囊4、后副气囊5、尾翼6、结构骨架、结构吊舱7和推进系统，平流层飞艇的尾翼6采用倒“Y”型设计，主要用于实现平流层飞艇的纵向和横航向稳定控制，推进系统包括分布在平流层飞艇两侧和尾部的三个电机螺旋桨8，主气囊1充有氦气提供浮力，前副气囊3、中副气囊4和后副气囊5充有空气实现飞艇姿态调整和浮重平衡，三个副气囊主要通过排空气和吸空气用于调节飞艇的驻空高度，无人机2采用挂钩悬挂在平流层飞艇的腹部或者埋藏在平流层飞艇的结构吊舱7，当无人机2的尺寸在3-5m时，通过结构吊舱7内部装载可以实现约20架小型无人机2的挂载与投放，无人机2被放置在不同的结构吊舱7内部，当无人机2的尺寸较大时，直接将无人机2通过挂钩挂载在飞艇的腹部，使得无人机2的尺寸不受结构吊舱7的约束。平流层飞艇可同时投放多架无人机2，形成无人机2集群，无人机2采用自主飞行模式形成编队飞行，无人机2包括固定翼无人机、太阳能无人机和变体无人机等。

如图3所示的，结构骨架包括纵拉杆9和多个加劲环10，结构骨架中部的一加劲环10和纵拉杆9的交点处连接有四根斜支架11，四根斜支架11的自由端连接有同一L型固定支架12，平流层飞艇两侧的电机螺旋桨8分别与同侧的L型固定支架12连接，在平流层飞艇的两侧布置电机螺旋桨8，且采用上述结构固定，使得平流层飞艇转向灵活，驻空平稳，且结构牢靠。

平流层飞艇的顶部贴有太阳能电池片，平流层飞艇的吊舱内安装有蓄能电池，太阳能电池片和电机螺旋桨8均与蓄能电池电连接，无人机2能够通过蓄能电池充电。白天太阳能电池片同时给推进系统和设备供电，同时多余的能量储存在储能电池，夜间储能电池工作为飞艇提供能源。

平流层飞艇上设有与无人机2连接的通讯模块，平流层飞艇2可以为无人机提供侦察监视、目标侦察定位、区域预警探测等服务，可充当无人机2飞行通信的中继平台。

平流层飞艇的长度为100m～250m，平流层飞艇的细长比为2.5～4。

平流层飞艇可实现17-22km的高空驻留，可实现不小于10m/s的抗风能力。假如飞艇的驻空高度是20km，所设计的飞艇长度约为120m,所载无人机2的重量约为100kg，那么在无动力滑翔过程中无人机2满足的能量关系式如下：

其中v为飞行器的飞行速度，h₀为飞行器的初始高度，h为飞行器所处的高度，E_drag为飞行器下降过程中阻力消耗的能量。加入下降过程中阻力消耗为重力的20％，那么无人机2依靠下降滑翔可以得到的速度增量约为500m/s的速度，因此只要结构强度能够满足要求，采用飞艇投放的形式可以节约能源、提高无人机的作战半径，实现无人机作战效果的大幅提高。

本实施例的平流层飞艇采用低阻NPL外形设计，外形方程采用以下形式：

艇体体积采用以下关系式估算：

飞艇的长细比采用如下关系式计算：

飞艇的阻力主要是由艇体产生，艇体的阻力系数采用下式进行估算：

式(1)、(2)、(3)、(4)中，a表示的是飞艇前半部分的长半轴，b为短半轴，a2是飞艇后半部分的长半轴，a1＝a、

前半椭球和后半椭球采用相同的短半轴。x为飞艇轮廓长度方向坐标，y为飞艇轮廓高度方向坐标，l为飞艇的总长度，l＝a1+a2，d为飞艇的直径，f是长细比，Re为雷诺数，特征长度取艇体体积的1/3次方。考虑到尾翼和其他部件干扰等，整个艇的阻力系数可以采用如下修正得到：

C_d,t＝1.5C_d,b (5)

其中C_d,b为艇体的阻力系数，假设飞艇的主气囊在上升过程中保持体积不变，那么飞艇在不同高度下的空气产生的浮力可以采用以下公式进行计算，

F_f＝ρgV

飞艇的载荷能力通过以下公式计算，

m_load＝ρV-ρ_airV_air-ρ_heV_he-m_body

其中ρV为飞行高度下的空气产生的浮力，ρ_airV_air为艇体内部空气质量，ρ_heV_he为氦气质量，m_body为飞艇机构重量。ρ表示的是飞行高度下的空气密度，ρ_air指的是囊体内的空气密度。

飞艇在高空飞行的阻力采用如下公式计算，

其中V是飞艇艇体体积，v为飞艇的飞行速度或者抗风速度，ρ为对应飞行高度的大气密度，C_D为飞艇的阻力系数，通常通过工程估算、数值模拟或者风洞试验获得。

飞艇在驻留或者定速巡航过程中需要满推阻平衡，那么螺旋桨产生的推力应该满足，

T_prop＝F_D

推进系统产生的推力采用如下公式计算，

T_prop＝N·C_Tρ_airn²D⁴

式中，C_T为评估工况下的螺旋桨推力系数，n为螺旋桨每秒转速，D为螺旋桨直径，ρ_air为环境大气密度，N为推进分系统推进单元台数。

根据推进系统的设计参数可以得到推进系统功率：

P＝C_Pρ_airn³D⁵/η_reducer/η_motor

式中，C_P为评估工况下的螺旋桨功率系数，n为螺旋桨每秒转速，D为螺旋桨直径，ρ_air为环境大气密度，η_reducer为减速器效率，η_motor为电机效率。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：包括平流层飞艇和若干无人机，所述平流层飞艇包括外蒙皮、主气囊、前副气囊、中副气囊、后副气囊、尾翼、结构骨架、结构吊舱和推进系统，所述推进系统包括分布在平流层飞艇两侧和尾部的三个电机螺旋桨，所述主气囊充有氦气提供浮力，三个副气囊充有空气实现浮重平衡和姿态调整，所述无人机悬挂在平流层飞艇的腹部或者埋藏在平流层飞艇的结构吊舱。

2.根据权利要求1所述的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：所述结构骨架包括纵拉杆和多个加劲环，所述结构骨架中部的一加劲环和纵拉杆的交点处连接有四根斜支架，四根斜支架的自由端连接有同一L型固定支架，所述平流层飞艇两侧的电机螺旋桨分别与同侧的L型固定支架连接。

3.根据权利要求1所述的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：所述平流层飞艇的顶部贴有太阳能电池片，所述平流层飞艇的吊舱内安装有蓄能电池，所述太阳能电池片和电机螺旋桨均与蓄能电池电连接，所述无人机能够通过蓄能电池充电。

4.根据权利要求1所述的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：所述平流层飞艇的长度为100m～250m，所述平流层飞艇的细长比为2.5～4。

5.根据权利要求1所述的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：所述平流层飞艇的尾翼采用倒“Y”型设计。

6.根据权利要求1所述的一种飞艇与无人机异构组合的飞行器，其特征在于：所述平流层飞艇上设有与无人机连接的通讯模块。

Images