CN116080911A - 一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，属于航空航天技术领域。本发明依附于太阳能无人机飞行，无需起落装置，有利于机身一体化外形设计，有效降低了无人平台系统重量，同时有效缓解了对流层复杂气象环境对无人平台系统的严苛设计要求；本发明可充分利用太阳能无人机吸取的多余能量作为能量输入，仅利用自身携带的蓄电池便可实现在20km高度以上临近空间的持久驻留，能够弥补太阳能无人机现阶段夜间巡航高度较低的不足；本发明与太阳能无人机间的交互工作模式，可有效缓解太阳能无人机夜间负载压力，有利于提高太阳能无人机夜间巡航高度，为太阳能无人机挂载应用提供了一种新思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，属于航空航天技术领域。
背景技术
高空太阳能无人机采用太阳能作为主要能量来源，白天利用太阳电池将吸收的光能转换为电能，维持正常飞行，同时将多余的能量储存为蓄电池的电能和高度势能。夜晚，再通过蓄电池的电能和降高度滑翔持续飞行。
按照现阶段太阳电池和储能蓄电池的发展水平，在光照条件充足的夏季，太阳能无人机白天可吸收的能量基本过剩，在满足无人机正常飞行以及储能蓄电池充电供给的前提下，依然存在部分能量浪费的情况。同时，受储能蓄电池能量密度的限制，现阶段太阳能无人机需采用“日间爬升储能、夜间降高释能”的典型高度剖面，通过高度调节满足持久飞行的需要，在这一过程中，其夜间巡航高度一般会降低至18km以下，尚不具备临近空间持久驻留的能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，依托太阳能无人机平台而存在，依附太阳能无人机平台作为其充电站，可充分利用太阳能无人机机翼表面铺设的太阳电池在夏季产生的多余能量，实现临近空间的持久驻留。
本发明的技术解决方案是：一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，包括一体化机身、太阳能无人机对接装置以及位于一体化机身两侧和尾部的螺旋桨；所述太阳能无人机对接装置用于与太阳能无人机安装对接；所述一体化机身上设有若干功能系统，包括：
能源动力系统，包括可充放电蓄电池、电动机；以及
能源交互系统，用于对太阳能无人机上太阳电池发电量和能源动力系统中蓄电池的实时电量进行监测，根据实时情况，判断是否对无人平台系统进行充电；以及
信息交互系统，用于与太阳能无人机之间的姿态、位置、指令信息传输；以及
控制交互系统，用于接收太阳能无人机的指令控制，所述指令控制包括对接和脱离控制；以及
导航飞控系统，用于无人系统全过程自主飞行控制；以及
机载测控系统，用于无人系统的遥测、遥控、跟踪定位和信息回传；以及
任务系统，用于装载各类载荷以执行对应任务；以及
电气系统，用于无人系统机载设备间的互通互联。
进一步地，所述一体化机身采用蜂鸟状飞翼外形，机身上表面采用扁平流线形。
进一步地，所述对接装置布置于机身前侧上表面靠近头部的位置。
进一步地，所述螺旋桨分别布置于机身左右两侧涵道内部以及机身后侧尾部。
进一步地，所述蓄电池、导航飞控系统、机载测控系统、任务系统布置于一体化机身下侧机腹内部；所述电气系统分布于一体化机身内侧。
进一步地，所述一体化机身采用轻质碳纤维复合材料，所述太阳能无人机对接装置采用销钉-锥孔结构方式，同时装设充电接口和电连接器。
进一步地，所述控制交互系统与太阳能无人机的飞行控制系统结合，用于太阳能无人机对临近空间持久驻留无人系统的指令控制。
进一步地，所述信息交互系统与太阳能无人机的飞控计算机、无人系统的导航飞控系统进行模块化结合，用于太阳能无人机与无人系统间的姿态、位置、指令信息传输。
进一步地，所述能源交互系统与太阳能无人机的能源管理器集成，用于对太阳能无人机太阳电池发电量、无人系统的能源动力系统中蓄电池的实时电量进行监测，根据实际情况，判断是否对无人系统进行充电。
根据所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统实现的方法，所述
临近空间持久驻留无人系统依附太阳能无人机起飞；
白天依附太阳能无人机飞行，利用太阳能无人机铺设的太阳电池吸取的多余能量为临近空间持久驻留无人系统的蓄电池充电；
当太阳能无人机高度下降至20km时，临近空间持久驻留无人系统与太阳能无人机脱离，利用自身携带的蓄电池维持在20km高度巡航飞行；
当太阳能无人机再次爬升至20km高度时，临近空间持久驻留无人系统与太阳能无人机对接，再次依附太阳能无人机为自身蓄电池进行充电，循环往复，以此实现在20km高度以上临近空间的持久驻留；
最终，临近空间持久驻留无人系统依附太阳能无人机着陆返航。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的临近空间持久驻留无人系统依附于太阳能无人机飞行，无需起落装置，有利于机身一体化外形设计，有效降低了无人平台系统重量，同时有效缓解了对流层复杂气象环境对无人平台系统的严苛设计要求；
(2)本发明可充分利用太阳能无人机吸取的多余能量作为能量输入，仅利用自身携带的蓄电池便可实现在20km高度以上临近空间的持久驻留，能够弥补太阳能无人机现阶段夜间巡航高度较低的不足。
(3)本发明设计的太阳能无人机交互系统可实现与太阳能无人机的能源、信息、控制交互，提高了整个系统运行的安全性、可靠性和灵活性。
(4)本发明中途可与太阳能无人机脱离，有效缓解了太阳能无人机夜间负载压力，有利于提高太阳能无人机夜间巡航高度，为太阳能无人机挂载应用提供了一种新思路。
附图说明
图1为本发明临近空间持久驻留无人平台系统结构图；
图2为本发明临近空间持久驻留无人系统典型工作剖面图；
图3为本发明能源交互系统工作流程图；
图4为本发明临近空间持久驻留无人系统组成框图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～4所示)：包括临近空间持久驻留无人系统、无人平台系统、太阳能无人机交互系统、地面控制系统、结构系统、能源动力系统、导航飞控系统、电气系统、机载测控系统、任务系统、能源交互系统、信息交互系统、控制交互系统、地面操纵系统、地面测控系统。所述临近空间持久驻留无人系统包括无人平台系统、太阳能无人机交互系统、地面控制系统，所述无人平台系统包括结构系统、能源动力系统、导航飞控系统、电气系统、机载测控系统、任务系统，所述太阳能无人机交互系统包括能源交互系统、信息交互系统、控制交互系统，所述地面控制系统包括地面操纵系统、地面测控系统。
所述结构系统主要包括一体化机身、与太阳能无人机的对接装置。
所述能源动力系统主要包括可充放电蓄电池、电动机、螺旋桨。
所述能源交互系统用于对太阳能无人机太阳电池发电量和能源动力系统中蓄电池的实时电量进行监测，根据实时情况，判断是否对无人平台系统进行充电，能源交互系统工作流程如图3所示。
所述信息交互系统用于太阳能无人机与无人平台系统间的姿态、位置、指令等信息传输。
所述控制交互系统用于太阳能无人机对无人平台系统的指令控制，主要包括对无人平台系统的对接和脱离控制。
所述临近空间持久驻留无人系统工作剖面如图2所示，无人平台系统依附太阳能无人机起飞，白天依附太阳能无人机飞行，利用太阳能无人机铺设的太阳电池吸取的多余能量为无人平台系统的蓄电池充电，当太阳能无人机高度下降至20km时，无人平台系统与太阳能无人机脱离，利用自身携带的蓄电池维持在20km高度巡航飞行；当太阳能无人机再次爬升至20km高度时，无人平台系统与太阳能无人机对接，再次依附太阳能无人机为自身蓄电池进行充电，循环往复，以此实现在20km高度以上临近空间的持久驻留，最终，无人平台系统依附太阳能无人机着陆返航。
所述无人平台系统具体组成如图1所示，所述一体化机身采用蜂鸟状飞翼外形，机身上表面采用扁平流线形；所述对接装置布置于机身前侧上表面靠近头部的位置；所述蓄电池、导航飞控系统、机载测控系统、任务系统主要布置于机身下侧机腹内部；所述电气系统分布于一体化机身内侧；所述螺旋桨分别布置于机身左右两侧涵道内部以及机身后侧尾部。
在本申请实施例所提供的方案中，一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，如图4所示，主要包括临近空间持久驻留无人系统1，无人平台系统2，太阳能无人机交互系统3，地面控制系统4，结构系统5，能源动力系统6，导航飞控系统7，电气系统8，机载测控系统9，任务系统10，能源交互系统11，信息交互系统12，控制交互系统13，地面操纵系统14，地面测控系统15。
所述临近空间持久驻留无人系统1包括无人平台系统2、太阳能无人机交互系统3、地面控制系统4，所述无人平台系统2包括结构系统5、能源动力系统6、导航飞控系统7、电气系统8、机载测控系统9、任务系统10，所述太阳能无人机交互系统3包括能源交互系统11、信息交互系统12、控制交互系统13，所述地面控制系统4包括地面操纵系统14、地面测控系统15。
所述结构系统5主要包括一体化机身20、与太阳能无人机的对接装置16。所述一体化机身20采用轻质碳纤维复合材料，所述对接装置16可选用传统航天器对接装置中“销钉-锥孔”结构方式，同时装设充电接口和电连接器。
所述能源动力系统6主要包括可充放电蓄电池、电动机、螺旋桨。所述可充放电蓄电池可选用高比能锂系二次电池，所述电动机和螺旋桨可选用一体化设计方式。
所述能源交互系统11用于对太阳能无人机太阳电池发电量和能源动力系统6中蓄电池的实时电量进行监测，根据实时情况，判断是否对无人平台系统进行充电，能源交互系统11工作流程如图3所示。能源交互系统11可与太阳能无人机的能源管理器集成，降低整个系统的复杂度。
所述信息交互系统12可选择与太阳能无人机飞控计算机和无人平台系统2的导航飞控系统7进行模块化结合，用于太阳能无人机与无人平台系统2间的姿态、位置、指令等信息传输。
所述控制交互系统13可选择与太阳能无人机的飞行控制系统结合，用于太阳能无人机对无人平台系统2的指令控制，主要包括对无人平台系统2的对接和脱离控制。
所述临近空间持久驻留无人系统1工作剖面如图2所示，无人平台系统2依附太阳能无人机起飞，白天依附太阳能无人机飞行，利用太阳能无人机铺设的太阳电池吸取的多余能量为无人平台系统2的蓄电池充电，当太阳能无人机高度下降至20km时，无人平台系统2与太阳能无人机脱离，利用自身携带的蓄电池维持在20km高度巡航飞行；当太阳能无人机再次爬升至20km高度时，无人平台系统2与太阳能无人机对接，再次依附太阳能无人机为自身蓄电池进行充电，循环往复，以此实现在20km高度以上临近空间的持久驻留，最终，无人平台系统2依附太阳能无人机着陆返航
所述无人平台系统2具体组成如图3所示，所述一体化机身20采用蜂鸟状飞翼外形，机身上表面采用扁平流线形；所述对接装置16布置于机身前侧上表面靠近头部的位置；所述蓄电池、导航飞控系统7、机载测控系统9、任务系统10主要布置于机身20下侧机腹内部；所述电气系统8分布于一体化机身20内侧；所述螺旋桨分别布置于机身左右两侧涵道17、18内部以及机身后侧尾部19。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，包括一体化机身、太阳能无人机对接装置以及位于一体化机身两侧和尾部的螺旋桨；所述太阳能无人机对接装置用于与太阳能无人机安装对接；所述一体化机身上设有若干功能系统，包括：
能源动力系统，包括可充放电蓄电池、电动机；以及
能源交互系统，用于对太阳能无人机上太阳电池发电量和能源动力系统中蓄电池的实时电量进行监测，根据实时情况，判断是否对无人平台系统进行充电；以及
信息交互系统，用于与太阳能无人机之间的姿态、位置、指令信息传输；以及
控制交互系统，用于接收太阳能无人机的指令控制，所述指令控制包括对接和脱离控制；以及
导航飞控系统，用于无人系统全过程自主飞行控制；以及
机载测控系统，用于无人系统的遥测、遥控、跟踪定位和信息回传；以及
任务系统，用于装载各类载荷以执行对应任务；以及
电气系统，用于无人系统机载设备间的互通互联。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述一体化机身采用蜂鸟状飞翼外形，机身上表面采用扁平流线形。
3.根据权利要求2所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述对接装置布置于机身前侧上表面靠近头部的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述螺旋桨分别布置于机身左右两侧涵道内部以及机身后侧尾部。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述蓄电池、导航飞控系统、机载测控系统、任务系统布置于一体化机身下侧机腹内部；所述电气系统分布于一体化机身内侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述一体化机身采用轻质碳纤维复合材料，所述太阳能无人机对接装置采用销钉-锥孔结构方式，同时装设充电接口和电连接器。
7.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述控制交互系统与太阳能无人机的飞行控制系统结合，用于太阳能无人机对临近空间持久驻留无人系统的指令控制。
8.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述信息交互系统与太阳能无人机的飞控计算机、无人系统的导航飞控系统进行模块化结合，用于太阳能无人机与无人系统间的姿态、位置、指令信息传输。
9.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统，其特征在于，所述能源交互系统与太阳能无人机的能源管理器集成，用于对太阳能无人机太阳电池发电量、无人系统的能源动力系统中蓄电池的实时电量进行监测，根据实际情况，判断是否对无人系统进行充电。
10.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的临近空间持久驻留无人系统实现的方法，其特征在于，所述
临近空间持久驻留无人系统依附太阳能无人机起飞；
白天依附太阳能无人机飞行，利用太阳能无人机铺设的太阳电池吸取的多余能量为临近空间持久驻留无人系统的蓄电池充电；
当太阳能无人机高度下降至20km时，临近空间持久驻留无人系统与太阳能无人机脱离，利用自身携带的蓄电池维持在20km高度巡航飞行；
当太阳能无人机再次爬升至20km高度时，临近空间持久驻留无人系统与太阳能无人机对接，再次依附太阳能无人机为自身蓄电池进行充电，循环往复，以此实现在20km高度以上临近空间的持久驻留；
最终，临近空间持久驻留无人系统依附太阳能无人机着陆返航。
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