CN116374181A - 一种长航时风能无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长航时风能无人机，其半柔性半刚性的拱形机翼上装有多个可逆电机组件及螺旋桨；正常飞行时，可逆电机组件作为电动机驱动螺旋桨旋转产生拉力，发电模式下，可逆电机组件作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能；具体方式是无人机逆风飞行借助风力爬升至一定高度然后向下俯冲进行发电并充电到蓄电池，重复进行逆风爬升及俯冲发电过程，便可实现无人机的高空长航时飞行；由于飞行过程与发电过程轮流进行，电力是边用边发（电），无需大量储电备用，故可大大减少蓄电池的携带量，同时由于无人机可在空气密度高且风速高的空间飞行，机翼可产生更大的升力，故可大幅增加有效载荷，充分发挥无人机的效能。

Description

一种长航时风能无人机

技术领域

本发明属于航空飞行器技术领域，涉及一种以风能为动力的飞机，具体涉及一种长航时风能无人机。

背景技术

无人机在环境监测、边境管控、科学研究及信息保障等方面具有独特的优势，如在电信领域，平流层无人机相对于地面中继站，其覆盖面积大，障碍物干扰少；相较卫星高度低、传输延迟小且可返回地面维修反复使用；在遥感方面，与低轨道卫星相比，可在同一区域内长期滞空反复探测且得到的图像分辨率更高。

目前，长航时高空无人机几乎都以太阳能为唯一动力，但由于地球表面太阳光的能量密度仅1KW/平米左右，加之太阳能电池板的光电转化效率不高（一般不超过25%），为利用有限的太阳能进行高空长期滞空飞行，必须最大限度地减小飞行阻力同时减轻飞机的重量，目前的太阳能无人机均采用轻质材料制作的超大展弦比（30左右）的薄型单翼；由于太阳能发电仅局限在白天，为了晚上持续飞行必须携带足够容量的蓄电池，而蓄电池的重量占据了飞机总重的1/4-1/3,甚至更多，另一方面，由于在平流层10-16千米高度处的空气风速很高(最高可达60米/秒以上)，单翼太阳能飞机的结构强度有限，无法抵御强风的冲击，因此目前平直单翼的高空型太阳能飞机一般选择在17-20千米的低风速空间滞空飞行，但20千米处的空气密度仅为15千米处（强风区）空气密度的一半，意味着在同样的飞行速度下，机翼在20千米处产生的升力约为15千米处的一半，因此不得不减少飞机的起飞重量，导致有效载荷十分有限，同时由于太阳能电力不足，很难满足多个电子设备的用电需求，导致目前高空长航时无人的功能单一，实用性不强。10-15千米左右的高空强风区蕴含着极大的风能，能量密度最高可达30KW/平米，是太阳光能量密度的30倍，利用风能进行长航时滞空飞行具有很高的技术与商业价值。

发明内容

为克服目前无人机存在的缺陷，本发明设计了一种长航时风能无人机，利用风能产生的电力飞行，由于可在空气密度较高、风速高的平流层空间飞行，机翼可产生更大的升力，同时，由于电力是一边使用（飞行）一边发电，无需大量储电备用，故可显著减少了蓄电池的携带量，大幅增加有效载荷，充分发挥无人机的效能；本发明的技术思路如下：

一种长航时风能无人机，包括起落架、蓄电池及飞控系统，还包括一个半柔性半刚性机翼及其下方的一个设备舱，设备舱通过支架与半柔性半刚性机翼连在一起，半柔性半刚性机翼的翼尖、近翼端前缘及后缘有多根张线与起落架连接，半柔性半刚性机翼中部的前缘及后缘有多根张线与设备舱连接;在半柔性半刚性机翼上装有多个可逆电机组件及螺旋桨。

进一步的，半柔性半刚性机翼由拱形的刚性骨架、柔性软质的上翼面、下翼面及柔性翼肋构成，刚性骨架由前翼梁、后翼梁及刚性翼肋构成；半柔性半刚性机翼的前缘有多个进气口，后缘均封闭。

更进一步的，刚性骨架的展向长度不大于半柔性半刚性机翼的翼展长度的90%，刚性骨架的弦向长度不大于半柔性半刚性机翼弦长的80%。

更进一步的，刚性翼肋及柔性翼肋上均开有通气孔，可使由上下翼面与翼肋构成的各个气室间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力。

进一步的，刚性骨架的左右两端至少有两根张线连在一起。

进一步的，起落架上装有至少6个电动舵机,电动舵机通过滑轮与翼尖、近翼端前缘及后缘的张线连接；所述设备舱上装有至少四个电动舵机,电动舵机通过滑轮与机翼中部前缘及后缘的张线连接。

更进一步的，电动舵机通过张线调节半柔性半刚性机翼的展向弯度及弦向弯度，配合电动螺旋桨完成横滚，偏航及俯仰动作。

进一步的，可逆电机组件包括永磁直流电机、自动切换开关及充电装置；可逆电机组件在无人机正常飞行时作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，在飞机俯冲或在空中做特定轨迹飞行时作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能。

更进一步的，可逆电机组件包含在电动回路与发电回路中，在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电装置及蓄电池的输入端连接。

进一步的，飞控系统在无人机正常飞行时将自动切换开关与所述发电回路的充电装置断开而与电动回路的蓄电池的输出端连通；所述飞控系统在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时将自动切换开关与所述电动回路的蓄电池输出端断开而与所述发电回路的充电装置连通。

更进一步的，飞控系统在飞机做俯冲之前，先使无人机处于逆风飞行状态并抬头，飞机借助风力不断爬升，至指定高度时将可逆电机组件切换至发电回路然后向下俯冲或螺旋俯冲进行发电。

本发明相较于现有无人机技术的有益效果是：

一,本发明的风能无人机为飞翼型无人机，无尾翼及机身，大大减轻了飞机重量，大幅减少了废阻力，采用大展弦比机翼明显降低了诱导阻力,故无人机具有很高的升阻比。

二,机翼采用刚性骨架结合柔性软质材料的上下翼面及柔性翼肋，并通过空气冲压方式形成具有足够刚度与强度的翼型，进一步降低了机翼的重量，大幅度提高了无人机的有效载荷。

三，机翼的翼端与前缘后缘均为柔性，采用张线与舵机连接，通过飞控系统很容易调整机翼的展向弯度与弦向弯度，非常利于对飞行姿态的有效控制。

四，拱形机翼显著增强了机翼的结构强度，克服了传统平直机翼易于变形扭曲的缺陷，同时采用抗拉能力强的张线联接在机翼刚性骨架两端，对升力载荷产生的弯矩具有很好的抵抗力，避免了机翼上翘的风险。

六，拱形机翼具有纵向及横向静稳定性，当飞行中遇到气流扰动发生横滚或俯仰时，会产生回复力矩，自动回到稳定飞行状态，非常有利于无人机的飞行控制。

七，拱形机翼可以在水平风中做小动力盘旋飞行，可大大节省电力，非常适合在平流层高风速环境下的长航时滞空飞行。

八，风力驱动的无人机受天气变化的影响小，不论白天黑夜，还是阴天雨雪天，都可利用高空中的风能发电，实现全天候长航时滞空飞行。

九，无人机一边飞行一边发电，无需携带大容量的蓄电池，节省的蓄电池重量可以用来增加任务载荷，从而把无人机的效能发挥到最大。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图

图2是本发明实施例的俯视图

图3是图2中A-A面的剖视图

100—机翼， 110—刚性骨架，1101—前翼梁，1102—后翼梁，1103—刚性翼肋，120—上翼面，130—下翼面，140—柔性翼肋，150—进气口，160—通气口，170—气室，200—支架，300—设备舱，310—中间张线，400—起落架，410—翼型板，420—翼尖张线，430—翼端张线，500—刚性骨架张线，600—可逆电机螺旋桨。

实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明优选的实施方式之一，是为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，不可理解为对本发明权利保护范围的限定，相反，对于本领域的普通科研人员而言，凡利用本发明进行的任何非实质性的改动或调整，均应落入本发明权利要求书的保护范围之内。

实施例

如图1-3所示,本发明的长航时风能无人机为飞翼型，不设机身及尾翼，机翼100为半柔性半刚性的机翼，是由拱形的刚性骨架110、柔性软质的上翼面120、下翼面130及柔性翼肋140构成，刚性骨架110则由前翼梁1101、后翼梁1102及刚性翼肋1103构成，前翼梁1101有两根；刚性骨架110由碳纤维材料制成，柔性上翼面120、下翼面130及柔性翼肋140均由聚酯纤维布制成；刚性翼肋1103及柔性翼肋140上均开有通气孔160，可使由上下翼面与翼肋构成的各个气室170间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力，机翼100的前缘有多个进气口150，后缘均封闭，当机翼100与空气有相对运动时，空气经进气口150进入气室170，在空气冲压作用下，气室170变得饱满挺括，整个机翼100呈现出足够的刚性与强度。

本实施例中刚性骨架110的展向长度约为机翼翼展长度的85%，刚性骨架110的弦向长度约为机翼弦长的70%；如果刚性骨架110在展向或弦向的长度过大，则导致翼端及前后缘的柔性部分过少，其展向弯度及弦向弯度的调节余地偏小，不利于飞行姿态的控制；如果刚性骨架110在展向或弦向的长度过小，则导致翼端及前后缘的柔性部分过多，导致机翼的刚性与强度降低，容易在湍流及强风下产生变形，不利于无人机在强风环境下的正常飞行及俯冲或特定飞行轨迹下的发电。

机翼100下方近翼端装有两个起落架400，每个起落架400的翼型板410上装有三个电动舵机；机翼100的正下方有一个翼型设备舱300，该设备舱300外形为一段较厚的机翼，上面装有4个电动舵机，设备舱300内部空间装飞控设备、航电设备、蓄电池及任务载荷，设备舱300通过支架200与机翼100连在一起。

从机翼100的翼尖引出三根张线然后合并成一根张线420，张线420通过固定在起落架翼型板410上的滑轮与电动舵机连接，近翼端前缘及后缘也分别引出三根张线然后各自合并成两根张线420，分别通过固定在起落架翼型板410上的滑轮与两个电动舵机连接，这样每个起落架400上均有三个电动舵机；从机翼中部的前缘与后缘分别引出6根张线然后各自合并成四根张线310，分别通过固定在设备舱上的滑轮与四个电动舵机连接。

电动舵机接收飞控系统的指令通过收缩或释放张线来调节机翼的展向弯度及弦向弯度，配合螺旋桨600完成横滚，偏航及俯仰动作。

另外，从刚性骨架110的一端及约1/2拱高处分别引出一根张线500与刚性骨架110的另一端及1/2拱高处连接，这两根张线500的作用在于防止机翼100的展向伸展变形进而防止机翼的上翘，保持机翼100的固有结构及形状，上述张线均选用重量轻、拉伸强度高的芳纶纤维绳，区别在于跟电动舵机连接的张线较细，刚性骨架110上的张线500较粗。

在机翼100上装有多个可逆电机组件及螺旋桨600，可逆电机组件在飞机上正常飞行时作为电动机，用电力驱动螺旋桨使其转动产生拉力，在飞机俯冲或在空中做特定轨迹飞行时作为发电机，将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能； 可逆电机组件包括永磁直流电机、充电装置及自动切换开关，永磁直流电机与螺旋桨600组合装在机翼100的前缘，充电器、自动开关装在设备舱300里；可逆电机组件包含在两个电回路中，一个是电动回路，一个是发电回路；在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电装置及蓄电池的输入端连接。

无人机正常飞行（转弯，平飞、爬升，下降等）时，飞控系统指令自动切换开关与发电回路的充电器断开而与电动回路的蓄电池连通；在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时，飞控系统指令自动切换开关与电动回路的蓄电池断开而与发电回路的充电器连通。

无人机发电方式通常有俯冲（包括盘旋俯冲）发电及特定飞行轨迹飞行发电如空间8字飞行，俯冲发电方式相对比较简单，飞行控制较容易，并且对无人机的结构强度要求也较低。俯冲发电具体步骤是：飞控系统在俯冲之前首先将无人机调整为逆风飞行状态，然后指令电动舵机将机翼100中部及翼端的后缘拉下，将机翼中部及翼端的前缘松开使无人机抬头并保持适宜的攻角，无人机在风力作用下不断爬升（此时无人机选择低功率飞行），至指定高度时飞控系统指令电动舵机将翼尖拉下同时将机翼中部及翼端的后缘松开将机翼中部及翼端的前缘拉下使无人机低头并保持适宜的攻角，然后指令自动切换开关切断可逆电机的电动回路连通发电回路，无人机在重力作用下向下方俯冲，俯冲过程中可逆电机的螺旋桨600高速旋转产生电力并经充电装置给蓄电池充电；无人机俯冲发电的实质是将风力对无人机做功产生的重力势能转化为电能，同时伴有风能直接被转化为电能。

无人机在风力环境中的飞行模式总体是，平飞，逆风爬升，俯冲（或盘旋俯冲），再平飞，再俯冲，不断重复这样的过程。正是在这样的飞行模式中，无人机源源不断从风中获得电能，从而实现长期滞空的目标；平流层16千米以下属于强风区且基本为水平风，故该无人机非常适合在16千米以下的平流层内飞行。

需要指出，本发明无人机起飞前，需先给机上的蓄电池充满电，以保证无人机能靠蓄电池提供的电力上升至有风力的空域，然后就可依靠不断的俯冲发电来持续爬升及巡航飞行。

Claims (10)

1.一种长航时风能无人机，包括起落架（400）、蓄电池及飞控系统，其特征在于，还包括一个半柔性半刚性机翼（100）及其下方的一个设备舱（300），所述设备舱（300）通过支架（200）与半柔性半刚性机翼（100）连在一起；所述半柔性半刚性机翼（100）的翼尖、近翼端前缘及后缘有多根张线与起落架（400）的翼型板（410）上的电动舵机连接,所述半柔性半刚性机翼（100）的中部前缘及后缘有多根张线与设备舱（300）上的电动舵机连接;所述半柔性半刚性机翼（100）上装有多个可逆电机组件及螺旋桨（600）。

2.根据权利要求1所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述半柔性半刚性机翼（100）由拱形的刚性骨架（110）、柔性软质的上翼面（120）、下翼面（130）及柔性翼肋（140）构成；所述刚性骨架（110）由前翼梁（1101）、后翼梁（1102）及刚性翼肋（1103）构成；所述半柔性半刚性机翼（100）的前缘有多个进气口（150），后缘均封闭。

3.根据权利要求2所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述刚性骨架（110）的展向长度不大于所述半柔性半刚性机翼（100）的翼展长度的90%;所述刚性骨架（110）的弦向长度不大于所述半柔性半刚性机翼（100）弦长的80%。

4.根据权利要求2所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述刚性翼肋（1103）及柔性翼肋（140）上均开有通气孔（160），可使由上下翼面与翼肋构成的各个气室（170）间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力。

5.根据权利要求2所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述刚性骨架（110）的左右两端至少有两根张线（500）连在一起。

6.根据权利要求1所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述起落架（400）的翼型板（410）上装有至少3个电动舵机,电动舵机分别通过滑轮与翼尖的张线（420）和近翼端前缘及后缘的张线（430）连接；所述设备舱（300）上装有至少4个电动舵机,电动舵机分别通过滑轮与机翼中部前缘及后缘的张线（310）连接。

7.根据权利要求6所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述电动舵机通过张线的收缩与释放调节半柔性半刚性机翼的展向弯度及弦向弯度，配合机翼上的螺旋桨（600）完成横滚，偏航及俯仰动作。

8.根据权利要求1所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述的可逆电机组件包括永磁直流电机、自动切换开关及充电装置；所述可逆电机组件在无人机正常飞行时作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，在飞机俯冲或在空中做特定轨迹飞行时作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能。

9.根据权利要求8所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述可逆电机组件包含在电动回路与发电回路中，在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电装置及蓄电池的输入端连接。

10.根据权利要求1所述的一种长航时风能无人机，其特征在于，所述飞控系统在无人机正常飞行时将自动切换开关与所述发电回路的充电装置断开而与电动回路的蓄电池的输出端连通；所述飞控系统在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时将自动切换开关与所述电动回路的蓄电池输出端断开而与所述发电回路的充电装置连通。

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