CN114275143A - 一种充气式太阳能无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充气式太阳能无人机，包括：上机翼、下机翼和连接翼，上机翼、下机翼和连接翼相互连接形成盒式结构；上机翼、下机翼和连接翼均为充气式结构；太阳能电池设置在上机翼的上表面；动力装置设置于上机翼的前缘；起落架设置于下机翼的下侧两端。本发明的技术方案的有益效果在于，采用上机翼和下机翼组合形成的飞翼布局形式，上、下机翼和连接翼均为充气结构，替代常规梁、肋构型的机翼结构，达到减重的目的。上、下机翼通过连接翼组成盒式结构，有利于提高该无人机的结构刚度。

Description

一种充气式太阳能无人机

技术领域

本发明属于太阳能飞行器技术领域，更具体地，涉及一种充气式太阳能无人机。

背景技术

太阳能飞行器是以太阳能为唯一能量来源的飞行器。在白天，其利用表面太阳能发电，一部分电能用来飞行，另外一部分电能存储在储能电池中，在夜间，飞行器依靠储能电池中的能源维持飞行。由于太阳能飞行器其能量来源仅仅依靠其表面铺贴的太阳电池发电，每天产出的能量很有限，所以对飞行器自身的能耗要求极高，需要此类飞行器重量极轻，能耗极小。

现有的传统布局和飞翼布局太阳能无人机，一般都采用梁、肋构型的机翼结构，使用硬质蒙皮铆接而成。这种结构的机翼笨重、体积大、结构复杂，因此造成能耗大、飞行半径小、巡航时间短、效率低下等问题。

鉴于此，期待一种充气式太阳能无人机，能替代常规梁、肋构型的机翼结构，达到减重的目的。

发明内容

本发明的目的针对现有技术中存在的问题，提供一种充气式太阳能无人机，采用充气结构的机翼形成飞翼布局形式，替代常规梁、肋构型的机翼结构，达到减重的目的。且上机翼与下机翼通过连接翼连接形成盒式结构，提高结构刚度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种充气式太阳能无人机，包括：

上机翼、下机翼和连接翼，所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼相互连接形成盒式结构；

所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼均为充气式结构；

太阳能电池，所述太阳能电池设置在所述上机翼的上表面；

动力装置，所述动力装置设置于所述上机翼的前缘；

起落架，所述起落架设置于所述下机翼的下侧两端。

优选的，所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼内填充有氦气。

优选的，所述上机翼包括中间翼段和外翼段，所述外翼段设置于所述中间翼段的两侧，所述外翼段的一端与所述中间翼段连接并形成上反角；

所述下机翼为矩形，所述下机翼的两端通过所述连接翼与所述上机翼的下表面相连接，形成矩形盒式结构。

优选的，所述上机翼包括充气腔，所述充气腔内设置有多个加强膜，所述加强膜为展向加强膜和弦向加强膜，所述展向加强膜和所述弦向加强膜交叉连接；

所述充气腔的外表面覆盖有表面蒙皮。

优选的，所述加强膜和所述表面蒙皮由柔性材料制成。

优选的，所述加强膜上设有通气孔和所述表面蒙皮上设有充气孔。

优选的，所述动力装置还包括：

螺旋桨，所述螺旋桨设置于所述上机翼的前缘；

与所述螺旋桨相同数量设置的电机，所述电机的输出端连接所述螺旋桨；

储能电池舱，所述储能电池舱设置在所述上机翼或所述下机翼的内部，所述储能电池舱与所述电机通过动力支撑杆连接，所述动力支撑杆设置在所述上机翼的前缘；

所述储能电池舱内设有储能电池和能源控制器，所述能源控制器连接所述太阳能电池、所述电机和所述储能电池。

优选的，还包括控制单元，所述控制单元设置在设备舱内，所述设备舱设置在所述上机翼或所述下机翼的内部；

所述控制单元包括飞控计算机、微惯组和多个舵机。

优选的，还包括大气传感器，所述大气传感器设置于所述上机翼的前缘中部，所述大气传感器连接所述控制单元。

优选的，所述上机翼的后缘设置有多个舵面，每个所述舵面分别与一个所述舵机连接。

本发明的技术方案的有益效果在于：

此充气式太阳能无人机为上机翼和下机翼组合形成的飞翼布局形式，上、下机翼和连接翼均为充气结构，替代常规梁、肋构型的机翼结构，达到减重的目的，上、下机翼通过连接翼组成盒式结构，有利于提高该无人机的结构刚度。

此充气式太阳能无人机的机翼内部填充小于空气密度的氦气，可为飞机提供一部分升力，为无人机工作节省能源，同时机翼的表面蒙皮和加强膜都为柔性材料，可减轻该无人机的结构重量。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明的一种充气式太阳能无人机的结构示意图；

图2示出了本发明的一种充气式太阳能无人机的俯视图；

图3示出了本发明的一种充气式太阳能无人机的机翼剖面图。

附图标记说明：

1、上机翼；2、动力装置；3、连接翼；4、起落架；5、大气传感器；6、下机翼；7、螺旋桨；8、电机；9、舵机；10、舵面；11、储能电池舱；12、储能电池；13、动力支撑杆；14、设备舱；15、太阳能电池；16、蒙皮上表面；17、充气孔；18、弦向加强膜；19、通气孔；20、展向加强膜；21、表面蒙皮。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

参照图1-图3所示，本发明提供一种充气式太阳能无人机，包括：

上机翼1、下机翼6和连接翼3，上机翼1、下机翼6和连接翼3相互连接形成盒式结构；

上机翼1、下机翼6和连接翼3均为充气式结构；

太阳能电池15，太阳能电池15设置在上机翼1的上表面；

动力装置2，动力装置2设置于上机翼1的前缘；

起落架4，起落架4设置于下机翼6的下侧两端。

具体的，该充气式太阳能无人机的上机翼1、下机翼6和连接翼3均为充气式机翼，由上机翼1和下机翼6组合形成的飞翼布局形式，替代常规机翼结构中的梁、肋结构，达到减重的目的。需要飞行时，充气式机翼快速充气弹出，形成具有良好气动外形的机翼。上机翼1、下机翼6同时作为该充气式太阳能无人机的升力面，下机翼6还能起到副升力作用，提升机翼的升力。太阳能电池15铺设在上机翼1的上表面，用于将太阳能转换为电能，可以增加机翼表面面积，使得太阳能电池15的铺设面积更大，以提高续航能力。上机翼1前缘安装动力装置2，为无人机提供推力。连接翼3将上机翼1和下机翼6连接成盒式结构，提高结构刚度。且充气式机翼的太阳能无人机结构相对简单，对使用者的要求低，易于维护和造价便宜。

进一步地，下机翼6还可以增加有效机翼面积，使得全机总重下的翼载更低，降低飞行功耗。

进一步地，起落架4包括两个主轮，两个主轮分别设置于下机翼6的下侧两端，进而取消尾轮装置，简化整机结构，节省成本。

可选的，上机翼1、下机翼6和连接翼3内填充有氦气。

具体的，上机翼1、下机翼6和连接翼3内部相互连通，可以同时往机翼内填充小于空气密度的氦气，起到一部分升力的作用。也可以填充比空气密度小的其他惰性气体。

可选的，上机翼1包括中间翼段和外翼段，外翼段设置于中间翼段的两侧，外翼段的一端与中间翼段连接并形成上反角；

下机翼6为矩形，下机翼6的两端通过连接翼3与上机翼1的下表面相连接，形成矩形盒式结构。

具体的，上机翼1采用上反角的设计，能提高该无人机的侧向稳定性，使得飞机倾斜时，机翼有自动恢复水平的功能。

进一步地，下机翼6和连接翼3为类似矩形结构，上机翼1由类似矩形结构的中间翼段和外翼段拼接而成，下机翼6的两端和上机翼1的下表面与连接翼3垂直连接，形成矩形盒式结构，矩形盒式结构能够起到加强整机结构刚度和强度的作用，减小飞行时机翼的变形。

进一步地，其机翼的上翼面也就是蒙皮上表面16均有弧度结构，使得上下机翼表面就会形成一个压差，给机翼提供了向上的升力。

可选的，上机翼1包括充气腔，充气腔内设置有多个加强膜，加强膜为展向加强膜20和弦向加强膜18，展向加强膜20和弦向加强膜18交叉连接；

充气腔的外表面覆盖有表面蒙皮21。

具体的，如图3所示，机翼的充气腔剖面为平凸形结构，机翼在充满气体的状态下，其内部加强膜凸显，形成展向加强膜20和弦向加强膜18交叉连接的结构，其展向加强膜20沿机翼的展开方向设置多个，多个弦向加强膜18间隔排列并垂直连接在展向加强膜20上，表面蒙皮21覆盖在充气腔的外表面，起到维持机翼外形的作用，进一步加强机翼结构刚度。

进一步地，下机翼6和连接翼3也包括充气腔，充气腔内也采用这种交叉设置的加强膜结构。

可选的，加强膜和表面蒙皮21由柔性材料制成。

具体的，上机翼1、下机翼6和连接翼3的加强膜和表面蒙皮21采用柔性材料，表面光滑，减小飞行阻力。其机翼内部充以氦气使其膨胀成柔性机翼，在飞行过程中来提供足够的气动升力，同时降低无人机飞行时所需要的能耗，提高了续航时间。飞行任务结束后机翼便于折叠回收，减少了无人机携带、存储、运输过程中的体积。

较优地，柔性材料采用TPU薄膜与凯夫拉纤维编织层压复合而言，TPU薄膜材料抗拉伸、抗撕裂、耐老化、气密性好，凯夫拉纤维具有质量轻、强度高、韧性好等优点。可维持较高充气压力情况下的整个柔性充气式机翼的气动外形，并保证足够的结构强度和刚度。

可选的，加强膜上设有通气孔19和表面蒙皮上设有充气孔17。

具体的，加强膜上开设有通气孔19，用于柔性机翼内氦气的流通，使得机翼内的压力平衡。在机翼的下翼面开设充气孔17，用于氦气的充入。如果上机翼1、下机翼6和连接翼3内部相互连通，则可以在机翼的任何部位开设充气孔17方便充气。

可选的，动力装置2还包括：

螺旋桨7，螺旋桨7设置于上机翼1的前缘；

与螺旋桨7相同数量设置的电机8，电机8的输出端连接螺旋桨7；

储能电池舱11，储能电池舱11设置在上机翼1或下机翼6的内部，储能电池舱11与电机8通过动力支撑杆13连接，动力支撑杆13设置在上机翼1的前缘；

储能电池舱11内设有储能电池和能源控制器，能源控制器连接太阳能电池15、电机8和储能电池。

具体的，上机翼1上表面铺设有太阳能电池15，将太阳能转换为电能，经过能源控制器转换后，再通过线缆将电能传输至电机8和储能电池12。通过电机8的高速旋转带动螺旋桨7转动，为无人机飞行提供前进的动力。储能电池12能够储存电能，为无人机夜晚执行飞行任务时提高续航能力。

进一步地，螺旋桨7设置有两个，分别布置在无人机上机翼1的两侧，与之配置两套动力装置提供动力输出，相比配备单个螺旋桨7，双螺旋桨7结构能为无人机提供更强大的飞行动力。

可选的，还包括控制单元，控制单元设置在设备舱14内，设备舱14设置在上机翼1或下机翼6的内部；

控制单元包括飞控计算机、微惯组和多个舵机9。

具体的，上机翼1和下机翼6其内部用于安装储能电池舱11和设备舱14等动力系统和控制系统，取消传统机舱结构，可减轻整体结构重量。

进一步地，储能电池舱11安装在上机翼的两侧，设备舱14安装在上机翼的中部，以保持整个无人机的重心平稳。

可选的，还包括大气传感器5，大气传感器5设置于上机翼1的前缘中部，大气传感器5连接控制单元。

可选的，上机翼1的后缘设置有多个舵面10，每个舵面10分别与一个舵机9连接。

具体的，大气传感器5采集空速、气压高度等信息，微惯组采集姿态角、航向角、角速率、位置、速度、速度航向、海拔高度、升降速度、加速度等信息，大气传感器5和微惯组将采集的信息传输至飞控计算机，飞控计算机根据飞行控制算法解算出舵面信号，将舵面信号通过通信总线传输给舵机9，舵机9根据舵面信号执行舵面10偏转和通过调节螺旋桨7的动力来控制该无人机执行爬升、下滑、平飞、滚转、俯仰、偏航等机动动作。

较优地，在上机翼1的后缘设置有6个舵面，对称设置在上机翼1的两侧。

实施例

参照图1-图3所示，本实施例提供一种充气式太阳能无人机，包括：

上机翼1、下机翼6和连接翼3，上机翼1、下机翼6和连接翼3相互连接形成盒式结构；

上机翼1、下机翼6和连接翼3均为充气式结构；

太阳能电池15，太阳能电池15设置在上机翼1的上表面；

动力装置2，动力装置2设置于上机翼1的前缘；

起落架4，起落架4设置于下机翼6的下侧两端。

本实施例中，上机翼1、下机翼6和连接翼3内填充有氦气。

本实施例中，上机翼1包括中间翼段和外翼段，外翼段设置于中间翼段的两侧，外翼段的一端与中间翼段连接并形成上反角；

下机翼6为矩形，下机翼6的两端通过连接翼3与上机翼1的下表面相连接，形成矩形盒式结构。

本实施例中，上机翼1包括充气腔，充气腔内设置有多个加强膜，加强膜为展向加强膜20和弦向加强膜18，展向加强膜20和弦向加强膜18交叉连接；

充气腔的外表面覆盖有表面蒙皮21。

本实施例中，加强膜和表面蒙皮21由柔性材料制成。

本实施例中，加强膜上设有通气孔19和表面蒙皮上设有充气孔17。

本实施例中，动力装置2还包括：

螺旋桨7，螺旋桨7设置于上机翼1的前缘；

与螺旋桨7相同数量设置的电机8，电机8的输出端连接螺旋桨7；

储能电池舱11，储能电池舱11设置在上机翼1或下机翼6的内部，储能电池舱11与电机8通过动力支撑杆13连接，动力支撑杆13设置在上机翼1的前缘；

储能电池舱11内设有储能电池和能源控制器，能源控制器连接太阳能电池15、电机8和储能电池。

本实施例中，还包括控制单元，控制单元设置在设备舱14内，设备舱14设置在上机翼1或下机翼6的内部；

控制单元包括飞控计算机、微惯组和多个舵机9。

本实施例中，还包括大气传感器5，大气传感器5设置于上机翼1的前缘中部，大气传感器5连接控制单元。

本实施例中，上机翼1的后缘设置有多个舵面10，每个舵面10分别与一个舵机9连接。

综上所述，此充气式太阳能无人机为上机翼和下机翼组合形成的飞翼布局形式，上、下机翼和连接翼均为充气结构，替代常规梁、肋构型的机翼结构，达到减重的目的，上、下机翼通过连接翼组成盒式结构，有利于提高该无人机的结构刚度。在无人机机翼的内部填充小于空气密度的氦气，可为飞机提供一部分升力，为无人机工作节省能源，同时机翼的表面蒙皮和加强膜都为柔性材料，可减轻该无人机的结构重量。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种充气式太阳能无人机，其特征在于，包括：

上机翼、下机翼和连接翼，所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼相互连接形成盒式结构；

所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼均为充气式结构；

太阳能电池，所述太阳能电池设置在所述上机翼的上表面；

动力装置，所述动力装置设置于所述上机翼的前缘；

起落架，所述起落架设置于所述下机翼的下侧两端。

2.根据权利要求1所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述上机翼、所述下机翼和所述连接翼内填充有氦气。

3.根据权利要求1所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述上机翼包括中间翼段和外翼段，所述外翼段设置于所述中间翼段的两侧，所述外翼段的一端与所述中间翼段连接并形成上反角；

所述下机翼为矩形，所述下机翼的两端通过所述连接翼与所述上机翼的下表面相连接，形成矩形盒式结构。

4.根据权利要求1所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述上机翼包括充气腔，所述充气腔内设置有多个加强膜，所述加强膜为展向加强膜和弦向加强膜，所述展向加强膜和所述弦向加强膜交叉连接；

所述充气腔的外表面覆盖有表面蒙皮。

5.根据权利要求4所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述加强膜和所述表面蒙皮由柔性材料制成。

6.根据权利要求4所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述加强膜上设有通气孔和所述表面蒙皮上设有充气孔。

7.根据权利要求1所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述动力装置还包括：

螺旋桨，所述螺旋桨设置于所述上机翼的前缘；

与所述螺旋桨相同数量设置的电机，所述电机的输出端连接所述螺旋桨；

储能电池舱，所述储能电池舱设置在所述上机翼或所述下机翼的内部，所述储能电池舱与所述电机通过动力支撑杆连接，所述动力支撑杆设置在所述上机翼的前缘；

所述储能电池舱内设有储能电池和能源控制器，所述能源控制器连接所述太阳能电池、所述电机和所述储能电池。

8.根据权利要求1所述充气式太阳能无人机，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元设置在设备舱内，所述设备舱设置在所述上机翼或所述下机翼的内部；

所述控制单元包括飞控计算机、微惯组和多个舵机。

9.根据权利要求8所述充气式太阳能无人机，其特征在于，还包括大气传感器，所述大气传感器设置于所述上机翼的前缘中部，所述大气传感器连接所述控制单元。

10.根据权利要求8所述充气式太阳能无人机，其特征在于，所述上机翼的后缘设置有多个舵面，每个所述舵面分别与一个所述舵机连接。

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