CN115535213A - 一种大尺度薄膜飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于飞行器技术领域，提供了一种大尺度薄膜飞行器，包括柔性的充气主体，旋翼，缆索，聚光器和太阳能电池；旋翼设置在充气主体的上表面，缆索连接充气主体和聚光器，太阳能电池设置在聚光器的太阳光汇聚面上；旋翼由旋翼电机驱动；太阳能电池与旋翼电机电连接；充气主体包括透明膜和菲涅尔透镜，透明膜和菲涅尔透镜形成密闭空间；充气主体在内部高压状态为平板状，在内部低压状态为降落伞姿态。本申请的薄膜飞行器结构简单，成本低，对太阳能的利用率高，并且飞行面形可控，可实现飞行器低储能结构下的全天候飞行需求。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其是涉及一种大尺度薄膜飞行器。
背景技术
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量来源，也是高空长航时无人飞行器的所选择的主要能源。
在高空飞行器中，目前使用高空飞艇、高空气球为主流，作为具备持久飞行能力的低速飞行器，可长期驻留于大气高层，在对地观测、预警侦查、广域通讯、应急救灾等军事及民用领域具有广泛的应用前景。但此类飞行器的轻质结构和为了抗风飞行的较大功率需求，使得飞艇的能源系统设计中需要兼顾结构重量、发电效率和飞艇内热（气压）管理，在实践中带来巨大的设计挑战。且考虑此类浮升力飞行器外表曲面有效光照角度范围有限，光伏系统的铺设面积和自重就极大增加了飞艇设计的尺寸规模和系统复杂度。
薄膜飞行器，不需要大体积的钝体作为飞行器主体，是有望实现低成本低阻力飞行的飞行器方案。当前，薄膜飞行器主要出现在发电领域，使用结合太阳能发电板的风筝类系留式发电平台。
中国专利CN106150915A公开了一种基于无人机平台的高空风力发电系统，其主要包括地面的发电机、大翼面高升力高升阻比无人飞行器以及牵引绳，将发电机置于地面上，采用小飞机驱动，飞机以较大攻角上升飞行，飞机牵引绳带动发电机发电，当到达一定高度后改变姿态向下俯冲，发电机回收绳索；当飞机俯冲向下一定距离后在改变姿态向上爬升，重复发电过程。该发电系统对环境风力要求较高，需要长期稳定的高空风力，同时在发电过程中，需要重复回收牵引绳以及改变飞机姿态，不仅要消耗一定能量，对牵引绳的强度也提出了更高要求，气动效率低，操作复杂，运行成本依然较高。
中国专利CN106828930A公开了一种系留式风力发电无人机，该专利依然采用传统的滑翔机结构类型，通过空气阻力拉动缆绳声控，并拖动地面发电机发电，也需要重复拉升、回落过程，对材料要求高，气动效率低，操作复杂，未能充分利用风能。
此类飞行器对于太阳能的利用效率较低，且其系留形式难以作为一类常规飞行器使用。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供一种大尺度薄膜飞行器，结构简单，飞行面形可控，可以使飞行器外形在白天气动阻力最小，在发电同时爬升高度，在夜间使飞行器呈降落/滑翔构型，实现低成本长时间驻空。
本申请提供一种大尺度薄膜飞行器，包括柔性的充气主体，旋翼，缆索，聚光器和太阳能电池；
所述旋翼设置在所述充气主体的上表面，所述缆索连接所述充气主体和所述聚光器，太阳能电池设置在所述聚光器的太阳光汇聚面上；所述旋翼由旋翼电机驱动；所述太阳能电池与所述旋翼电机电连接；
所述充气主体包括透明膜和菲涅尔透镜，所述透明膜和所述菲涅尔透镜形成密闭空间；所述充气主体在在第一状态时为平板状，在第二状态时为降落伞姿态。
采用本申请的一种大尺度薄膜飞行器，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
（1）本申请的薄膜飞行器结构简单，成本低，对太阳能的利用率高；
（2）本申请的薄膜飞行器的飞行面形可控，在爬升时改变面形为平板状，以减小气动阻力，在降落时改变外形为降落伞型，增加气动阻力实现飞行器的滑行，以使减慢飞行器的降落速度。从而实现飞行器低储能结构下的全天候飞行需求；
（3）本申请的薄膜飞行器采用波浪形菲涅尔透镜，能够便于飞行器做大尺寸，并且太阳能利用效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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他的附图。
图1是本申请实施例1的一种大尺度薄膜飞行器的一种飞行状态结构示意图；
图2是本申请实施例1的一种大尺度薄膜飞行器的另一种飞行状态结构示意图；
图3是本申请实施例1的充气主体结构示意图。
图中，00-飞行器，10-充气主体，11-透明膜，12-菲涅尔透镜，13-充气保型柔性肋，20-旋翼，30-缆索，40-聚光器，50-吊舱。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种大尺度薄膜飞行器00，如图1所示，包括柔性的充气主体10，旋翼20，缆索30，聚光器40和太阳能电池（图中未示出）；
所述旋翼20设置在所述充气主体10的上表面，从而使得旋翼在旋转的过程中带动充气主体10提高飞行高度；所述缆索30连接所述充气主体10和所述聚光器40，所述太阳能电池设置在所述聚光器40的太阳光汇聚面上；所述旋翼20由旋翼电机驱动；所述太阳能电池与所述旋翼电机电连接；所述充气主体包括透明膜11和菲涅尔透镜12，所述透明膜11和所述菲涅尔透镜12形成密闭空间；所述充气主体在在第一状态时为平板状，在第二状态时为降落伞姿态。本实施例中，所述充气主体在内部高压时为第一状态，此时为平板状，如图1所示，在内部低压时为第二状态，此时为降落伞姿态，如图2所示。这里的高低压是相对的概念，本领域技术人员完全可以理解，当充气主体的内部气压高时，平板状的充气主体强度高一些，可以在空气阻力和下部聚光器的重力作用下不变形；而当充气主体内部气压低时，在空气阻力和下部聚光器的重力作用下会发生变形，形成降落伞姿态。
本实施例中的飞行器中，充气主体内部为密闭空间，其中充满气体，可以减轻飞行器的整体重量，并且由于透明膜和菲涅尔透镜均为柔性，使得充气主体整体为柔性。从而使得密闭空间内形成气压高时，柔性的充气主体整体形成一个平板状的结构，使得旋翼带动充气主体上升过程中减小阻力；而密闭空间内形成较低压力时，柔性的充气主体整体形成为一个类似降落伞姿态的结构，可以增加飞行器下降过程中的空气阻力，从而实现飞行器的滑翔或缓慢降低飞行高度。
另一方面，在有阳光的情况下，例如白天，通过菲涅尔透镜和聚光器的共同作用汇聚太阳光，并将太阳光由太阳能电池转换为电能，太阳能电池存储电能，同时将电能输出给旋翼电机，旋翼电机带动旋翼旋转，从而使得飞行器向上飞行，飞得越高，接收到更多的太阳能，转换为更多的电能存储，在这种情况下，充气主体内处于高压状态，以减小上升过程中的空气阻力；在无太阳光的情况下，例如夜晚，太阳能电池不能产电，飞行器处于低能耗的滑翔状态。当然，在太阳能电池有储电的情况下，无太阳光的情况下，也可以使用太阳能电池所存储的电能驱动旋翼旋转，带动充气主体等上升。在一种示例的应用场景下，例如需要使得飞行器一直处于某一高度范围，白天通过太阳能电池将太阳光转化为电能存储，夜晚由存储的电能驱动旋翼旋转，使得飞行器上升到设定高度。在这期间，充气主体一直在高压和低压状态之间切换，当飞行器达到某一设定的高度高值时，切换为低压状态，飞行器滑行，慢慢降低高度；当飞行器高度达到设定的高度低值时，切换为高压状态，旋翼旋转，飞行器向上飞行，高度增加，如此循环。以上应用场景均可以实现飞行器低储能结构的全天候飞行需求。
再者，本实施例中的飞行器在降落过程中还可以反向利用旋翼电机进行发电，并将电能存储在太阳能电池中。
为了实现上述应用，本实施例的飞行器的充气主体上还设置有阀门，并且配置有充气泵，充气泵用于向充气主体供气，以使得充气主体由低压状态转变为高压状态。阀门可以自动控制，需要由高压状态转换为低压状态时，自动打开泄压。能够实现上述功能的充气泵和阀门均可以，本领域技术人员可以根据实际情况自由选择，具体型号和结构本发明不作限定。
进一步地，所述充气主体为方形或圆形；当所述充气主体设置为方形时，至少在所述方形的四个角上分别设置一个旋翼；当所述充气主体设置为圆形时，至少在圆周设置三个旋翼。
在另一可选的实施例中，充气主体可以是由透明膜11形成密闭空间，所述菲涅尔透镜12设置于所述密闭空间内，如图3所示。作为优选，在本申请的实施例中，菲涅尔透镜与透明膜的厚度均不超过飞行器宽度的1/10，例如采用0.1mm厚度量级，优选采用耐疲劳、耐老化、高透光的柔性材料制备。
作为优选，本实施例中的飞行器还包括吊舱50，所述吊舱50内设置聚光器40，太阳能电池，以及需要用到的控制器等。并且吊舱的结构可以设计成气动光滑外形，本申请不作具体限定。但是为了保证吊舱内聚光器的聚光效果，至少吊舱的上表面应为透明结构，所述上表面为与所述菲涅尔透镜相对的面。
作为优选，所述充气主体设置为方形时，在前缘和后缘分别设置一充气保型柔性肋，可承受较大气压并具有较大刚度，从而实现对首尾端薄膜空间变形的约束。如图3所示，在所述前缘的充气保型柔性肋设置为流线型钝体，在所述后缘的充气保型柔性肋设置为类翼型结构，以降低气动损失。值得说明的是，图3中只是示意图，为了示例性说明充气保型柔性肋的形状，并不表示其与充气主体之间的尺寸比例。
同时，本实施例中的缆索设置为可收放的结构，以在飞行器飞行过程中，通过调整缆索的长度调整飞行器的整体气动迎角，适应环境变化，调整飞行状态等，例如可以调整飞行方向，以满足对飞行航线、太阳角度的跟踪等。
作为优选，本实施例的菲涅尔透镜为波浪形菲涅尔透镜，聚光镜为CPC聚光镜。所述波浪线菲涅尔透镜详请参见申请人的另一申请ZL202111326096.7，这种波浪线菲涅尔透镜由于波浪形的设计，可以提高空间面积的利用率，且可以沿一个特定的方向一直延伸设置多个波节，便于做大尺寸的聚光镜，并且聚光镜的聚光效果好。CPC聚光镜的有效收集角度综合考虑菲涅尔透镜高效聚焦角度范围，在工程上可以取20~40°，本实施例中，菲涅尔透镜结合CPC的聚光倍数为6~60倍，当在高倍聚光时吊舱通道内可设置通风散热通道。
本申请实施例提供的一种大尺度薄膜飞行器，结构简单，成本低，飞行面形可控，能实现飞行器低储能结构下的全天候飞行需求，为高空太阳能利用提供了一种新的方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，包括柔性的充气主体，旋翼，缆索，聚光器和太阳能电池；
所述旋翼设置在所述充气主体的上表面，所述缆索连接所述充气主体和所述聚光器，太阳能电池设置在所述聚光器的太阳光汇聚面上；所述旋翼由旋翼电机驱动；所述太阳能电池与所述旋翼电机电连接；
所述充气主体包括透明膜和菲涅尔透镜，所述透明膜和所述菲涅尔透镜形成密闭空间；所述充气主体在第一状态时为平板状，在第二状态时为降落伞姿态。
2.根据权利要求1所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述充气主体被替换为：由透明膜形成密闭空间，所述菲涅尔透镜设置于所述密闭空间内。
3.根据权利要求1或2所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，还包括吊舱，所述吊舱内设置聚光器和太阳能电池。
4.根据权利要求1或2所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述充气主体为方形或圆形；当所述充气主体设置为方形时，至少在所述方形的四个角上分别设置一个旋翼；当所述充气主体设置为圆形时，至少在圆周设置三个旋翼。
5.根据权利要求4所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述充气主体设置为方形时，在前缘和后缘分别设置一充气保型柔性肋。
6.根据权利要求5所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，在所述前缘的充气保型柔性肋设置为流线型钝体，在所述后缘的充气保型柔性肋设置为类翼型结构。
7.根据权利要求3所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述吊舱的至少上表面为透明结构，所述上表面为与所述菲涅尔透镜相对的面。
8.根据权利要求1所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述菲涅尔透镜为波浪形菲涅尔透镜。
9.根据权利要求1所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，还包括气泵和阀门，所述阀门设置在所述充气主体上，所述气泵用于向所述充气主体充气。
10.根据权利要求1所述的一种大尺度薄膜飞行器，其特征在于，所述缆索设置为可收放结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221230 |