CN117208260A - 一种倾转机翼太阳能无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种倾转机翼太阳能无人机，包括机翼、太阳电池、蓄电池、电动机、螺旋桨、动力短舱、倾转机构、起落架、飞控系统、电气系统和测控系统。太阳能无人机采用飞翼布局，机翼为大展弦比小后掠角气动构型；机翼上表面铺装有柔性薄膜太阳电池；机翼内部安装有可循环充放电蓄电池；机翼两侧翼梢各安装一套电动机驱动的变距螺旋桨；安装于动力短舱内的倾转机构可驱动机翼两侧外翼段实现90度以上的倾转；机翼对称面位置前部布置一个可收放式起落架；飞控、电气和测控等系统的机载航电设备安装于机翼内部。该无人机兼具固定翼太阳能飞机和旋翼机的优点，既能实现垂直起降、悬停、侧飞，又能实现长航时远距离飞行。
Description
技术领域
本发明涉及一种倾转机翼太阳能无人机，属于无人机总体设计技术领域。
背景技术
电推进无人机近年来受到了广泛的关注并取得了飞速的发展，但目前的电动无人机都有明显的短板。多旋翼无人机巡航效率低，固定翼无人机无法实现垂直起降，而受限于蓄电池的低能量密度，传统电动无人机的航时都十分有限，往往在几小时量级。
太阳能无人机是太阳能无人机是一种以光能作为主要能量来源的电动无人飞行器。白天，它依靠太阳电池进行光电转换，将多余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滑翔持续飞行，理论上可实现不间断的昼夜飞行。国内外现有的太阳能无人机多采用水平滑跑的起降方式，同样不能垂直起降。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种倾转机翼太阳能无人机，通过机上的太阳电池将太阳能转换成电能，通过倾转螺旋桨机构实现固定翼模式和直升机模式的切换，既能垂直起降、悬停、侧飞，又能长航时远距离飞行。
本发明的技术解决方案是：一种倾转机翼太阳能无人机，包括：机翼、太阳电池、电动机、螺旋桨、动力短舱、倾转机构、飞控系统、电气系统和测控系统；
机翼采用飞翼布局，作为无人机的升力面提供固定翼飞行状态的升力，为大展弦比小后掠角气动构型；
太阳电池均匀铺装于机翼上表面，为无人机提供能量来源；
螺旋桨共有两套，分别安装于机翼左右两侧翼梢，在无人机起降阶段提供垂直方向的升力，在无人机正常飞行阶段提供水平方向的动力，
电动机共有两套，驱动螺旋桨旋转，为无人机提供飞行的动力；
倾转机构共有两套，用于驱动螺旋桨倾转，监测和控制螺旋桨倾转角度；
动力短舱共有两套，分别安装于机翼两侧翼尖，用于提供螺旋桨、电动机、倾转机构的安装空间；
飞控系统用于实现各模态飞行姿态保持和无人机的稳定控制；
电气系统用于实现机上电功率产生、变换、输送、调节控制和分配；
测控系统用于实现无人机和地面测控站之间的信息传输；
飞控系统、电气系统和测控系统的机载航电设备安装于机翼内部。
进一步的，所述无人机还包括起落架，起落架采用前三点式构型，前起位于机翼对称面下方，后起直接以动力短舱尾部作为支撑，前起为可收放式起落架，在固定翼飞行状态时收起，，在起降状态放下。
进一步的，所述无人机还包括蓄电池，采用两组高能量密度锂电池，左右对称地安装于机翼内部，为无人机夜间飞行提供能量来源。
进一步的，所述机翼分为三段：内侧翼段和两个外侧翼段；内侧翼段保持固定，两个外侧翼段能够实现90°以上的倾转。
进一步的，外侧翼段展长占机翼展长的1/3。
进一步的，外侧翼段和螺旋桨一起倾转，垂直起降状态内侧翼段的展弦小，固定翼巡航状态整个机翼的展弦大。
进一步的，螺旋桨采用电推进变距螺旋桨，无人机在起降阶段以旋翼模式飞行时，螺旋桨旋转到桨盘与机翼平行方向，提供垂直方向的升力；无人机在以固定翼模式飞行时，螺旋桨旋转到桨盘与机翼垂直方向，提供前进的动力。
进一步的，螺旋桨采用大桨径两叶变距桨。
进一步的，倾转机构由倾转电动作动器、倾转摇臂和位置传感器组成，安装于动力短舱内，驱动螺旋桨实现90°以上的倾转。
进一步的，所述太阳电池采用柔性薄膜太阳电池。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的倾转机翼太阳能无人机以太阳能作为主要的能量来源，清洁、环保、航时久、航程长，并且使用成本低。
(2)本发明的倾转机翼太阳能无人机通过倾转螺旋桨和机翼外段，既能够以直升机模式实现垂直起降、悬停、侧飞，又能以固定翼模式实现高效的长航时远距离飞行。
(3)本发明的倾转机翼太阳能无人机采用大展弦比飞翼布局，并采用机翼外段和螺旋桨一起倾转的方式，在固定翼模式的展弦比大，巡航效率高，在直升机模式的展弦比较小，机翼受力更合理。
(4)本发明的倾转机翼太阳能无人机倾转机构采用电动作动器加摇臂机构的方案，控制精度高并且可靠性好。
附图说明
图1为本发明倾转机翼太阳能无人机整体效果图；
图2为本发明倾转机翼太阳能无人机直升机状态俯视图；
图3为本发明倾转机翼太阳能无人机直升机状态主视图；
图4为本发明倾转机翼太阳能无人机直升机状态侧视图。
图5为本发明倾转机翼太阳能无人机固定翼状态俯视图；
图6为本发明倾转机翼太阳能无人机固定翼状态主视图；
图7为本发明倾转机翼太阳能无人机固定翼状态侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1至图7所示，本发明提供的一种倾转机翼太阳能无人机，包括机翼、太阳电池、蓄电池、电动机、螺旋桨、动力短舱、倾转机构、起落架、飞控系统、电气系统和测控系统等。
机翼采用飞翼布局，作为无人机的升力面提供固定翼飞行状态的升力，为大展弦比小后掠角气动构型，机翼分为三段，内侧翼段1固定，两个外侧翼段2和3可以实现90°以上的倾转；外侧翼段展长约占机翼展长的1/3。
太阳电池采用高光电转换效率的柔性薄膜太阳电池4，均匀铺装于机翼上表面，为无人机提供能量来源。
蓄电池5和6采用两组可循环充放电的高能量密度锂电池，左右对称地安装于机翼内部，为无人机夜间飞行提供能量来源。
电动机7和8将机上的电能转换为动能，驱动螺旋桨9和10旋转，为无人机提供飞行的动力。
螺旋桨9和10采用电推进变距螺旋桨，在无人机起降阶段提供垂直方向的升力，在无人机正常飞行阶段提供水平方向的动力，共有两套，分别安装于机翼左右两侧翼梢。
倾转机构11和12用于驱动螺旋桨9和10倾转，并监测和控制螺旋桨9和10的倾转角度。
动力短舱13和14分别安装于机翼两侧翼尖，为螺旋桨9和10、电动机7和8、倾转机构11和12提供安装空间。
起落架采用前三点式构型，前起15位于机翼对称面下方，后起16和17直接以动力短舱13和14的尾部作为支撑。
飞控系统18实现各模态飞行姿态保持和无人机的稳定控制。
电气系统19实现机上电功率产生、变换、输送、调节控制和分配。
测控系统20实现无人机和地面测控站之间的信息传输。
机翼采用大展弦比飞翼布局，无人机在以固定翼状态飞行时升阻比高，可以减小能耗增加航时和航程。
机翼两个外侧翼段2和3可以实现90°以上的倾转，采用外侧翼段和螺旋桨一起倾转的方式，垂直起降状态旋翼内侧机翼的展弦比较小，固定翼巡航状态整个机翼的展弦比较大，可以减小垂直起降状态及模态转换过程中机翼受力的不利影响。
无人机在起降阶段以旋翼模式飞行时，螺旋桨9和10旋转到桨盘与机翼平行方向，提供类似于直升飞机旋翼的升力。无人机在以固定翼模式飞行时，螺旋桨9和10旋转到桨盘与机翼垂直方向，提供前进的动力。
无人机机翼上表面铺装柔性薄膜太阳电池4，太阳电池可以将太阳能转换成电能，为无人机提供无限、绿色、清洁的能量来源。柔性薄膜电池可以实现和机翼的共形，消除对无人机气动性能的影响。
通过太阳电池转换的电能一部分提供无人机白天飞行的能量来源，一部分存储在蓄电池5和6中，提供无人机夜间飞行的能量来源，通过能量自循环实现多日持续飞行。
螺旋桨9和10采用大桨径两叶变距桨，通过变距使螺旋桨在垂直起降状态有较高的静拉力效率，在巡航状态下具有较高的巡航效率。
倾转机构11和12由倾转电动作动器、倾转摇臂和位置传感器组成，倾转机构11和12分别安装于动力短舱13和14内，可以驱动螺旋桨实现90°以上的倾转。
起落架采用前三点式构型，前起15位于机翼对称面下方，通过简易收放机构在巡航状态收于机翼下表面以减小飞行阻力，在起降状态放下。
飞控18、电气19和测控20等系统的机载航电设备尽量对称的安装于机翼内部。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于包括：机翼、太阳电池、电动机、螺旋桨、动力短舱、倾转机构、飞控系统、电气系统和测控系统；
机翼采用飞翼布局，作为无人机的升力面提供固定翼飞行状态的升力，为大展弦比小后掠角气动构型；
太阳电池均匀铺装于机翼上表面，为无人机提供能量来源；
螺旋桨共有两套，分别安装于机翼左右两侧翼梢，在无人机起降阶段提供垂直方向的升力，在无人机正常飞行阶段提供水平方向的动力，
电动机共有两套，驱动螺旋桨旋转，为无人机提供飞行的动力；
倾转机构共有两套，用于驱动螺旋桨倾转，监测和控制螺旋桨倾转角度；
动力短舱共有两套，分别安装于机翼两侧翼尖，用于提供螺旋桨、电动机、倾转机构的安装空间；
飞控系统用于实现各模态飞行姿态保持和无人机的稳定控制；
电气系统用于实现机上电功率产生、变换、输送、调节控制和分配；
测控系统用于实现无人机和地面测控站之间的信息传输；
飞控系统、电气系统和测控系统的机载航电设备安装于机翼内部。
2.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，所述无人机还包括起落架，起落架采用前三点式构型，前起位于机翼对称面下方，后起直接以动力短舱尾部作为支撑，前起为可收放式起落架，在固定翼飞行状态时收起，，在起降状态放下。
3.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，所述无人机还包括蓄电池，采用两组高能量密度锂电池，左右对称地安装于机翼内部，为无人机夜间飞行提供能量来源。
4.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，所述机翼分为三段：内侧翼段和两个外侧翼段；内侧翼段保持固定，两个外侧翼段能够实现90°以上的倾转。
5.根据权利要求4所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，外侧翼段展长占机翼展长的1/3。
6.根据权利要求4所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，外侧翼段和螺旋桨一起倾转，垂直起降状态内侧翼段的展弦小，固定翼巡航状态整个机翼的展弦大。
7.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，螺旋桨采用电推进变距螺旋桨，无人机在起降阶段以旋翼模式飞行时，螺旋桨旋转到桨盘与机翼平行方向，提供垂直方向的升力；无人机在以固定翼模式飞行时，螺旋桨旋转到桨盘与机翼垂直方向，提供前进的动力。
8.根据权利要求7所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，螺旋桨采用大桨径两叶变距桨。
9.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，倾转机构由倾转电动作动器、倾转摇臂和位置传感器组成，安装于动力短舱内，驱动螺旋桨实现90°以上的倾转。
10.根据权利要求1所述的一种倾转机翼太阳能无人机，其特征在于，所述太阳电池采用柔性薄膜太阳电池。
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