CN117485620A - 一种太阳能无人机翼段结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种太阳能无人机翼段结构，属于无人机技术领域。具体的，翼段结构包括翼梁和翼肋，翼梁包括从无人机机翼的前侧至后侧依次分布的前梁和后梁，翼肋包括多排前肋、多排中肋和多排后肋，中肋位于前梁和后梁之间，前肋位于前梁背对后梁的一侧，后肋位于后梁背对前梁的一侧，在前梁和后梁之间贴近机翼的上翼面和下翼面的区域均设有若干个斜拉杆，斜拉杆的两端分别连接前梁和后梁，斜拉杆沿所贴近的翼面延伸，且斜拉杆和翼肋交叉设置。通过本申请的处理方案，减轻机翼重量的同时提高机翼的强度。
Description
技术领域
本申请涉及无人机的领域，尤其是涉及一种太阳能无人机翼段结构。
背景技术
太阳能无人机利用铺贴在机翼和机身表面的太阳能电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨产生飞行动力。为实现跨昼夜飞行，白天多余的电能存储在储能电池中以供夜间飞行需要。为了实现太阳能无人机的长航时飞行，一般采用大展弦比机翼，以获得较大的升阻比。同时需要在机翼和机身表面铺贴尽可能多的太阳能电池组件。机翼是太阳能无人机产生升力的主要部件，承受气动载荷和惯性载荷引起的剪力、弯矩和扭矩。太阳能飞机为减轻结构重量，蒙皮多采用薄膜蒙皮，上翼面和蒙皮共形铺贴的柔性太阳能电池无法承受大的面内剪切载荷，导致太阳能飞机机翼的重量和强度很难兼顾。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种太阳能无人机翼段结构，解决了现有技术中的问题，减轻机翼重量的同时提高机翼的强度。
本申请提供的一种太阳能无人机翼段结构采用如下的技术方案：
一种太阳能无人机翼段结构，翼段结构包括翼梁和翼肋，所述翼梁包括从无人机机翼的前侧至后侧依次分布的前梁和后梁，所述翼肋包括多排前肋、多排中肋和多排后肋，所述中肋位于前梁和后梁之间，所述前肋位于前梁背对后梁的一侧，所述后肋位于所述后梁背对前梁的一侧，在所述前梁和后梁之间贴近机翼的上翼面和下翼面的区域均设有若干个斜拉杆，所述斜拉杆的两端分别连接前梁和后梁，所述斜拉杆沿所贴近的翼面延伸，且所述斜拉杆和翼肋交叉设置。
可选的，所述中肋包括上肋条和下肋条，所述上肋条的两端分别连接靠近上翼面的前梁和后梁，所述下肋条的两端分别连接靠近下翼面的前梁和后梁，相邻两个上肋条之间和相邻两个下肋条之间均设有所述斜拉杆，相邻两个所述上肋条、前梁和后梁围成上框型结构，相邻两个所述下肋条、前梁和后梁围成下框型结构，靠近上翼面的所述斜拉杆的两端分别连接所述上框型结构的对角，靠近下翼面的所述斜拉杆的两端分别连接所述下框型结构的对角。
可选的，靠近上翼面的所述斜拉杆相互平行，靠近下翼面的所述斜拉杆相互平行，靠近上翼面的所述斜拉杆和靠近下翼面的所述斜拉杆交叉设置。
可选的，所述斜拉杆的端部侧壁抵接所述前梁和后梁的外侧面，所述斜拉杆的两端的端部分别粘接在前梁和后梁上，所述斜拉杆的两端设有冒型筋结构，所述冒型筋结构覆盖且粘接在斜拉杆的端部侧壁以及前梁和后梁上。
可选的，所述斜拉杆包括主体部和缠绕在所述主体部外周的碳纤维单向带，所述主体部的材质为50Kg/m3的PMI泡沫。
可选的，所述前梁和后梁均包括第一腹板、第一缘条和第一斜拉管；
所述第一腹板包括实体部和镂空部，所述实体部包括分别对应上翼面和下翼面的侧边部、连接两个所述侧边部的若干个连接部以及设置在所述侧边部上的若干个凸耳部，所述侧边部、连接部和凸耳部之间的空间作为所述镂空部，其中一个所述侧边部上的所述凸耳部位于所述连接部和侧边部的连接位置，另一个所述侧边部上的所述凸耳部位于两个连接部之间；
所述侧边部上均设有所述第一缘条，所述前梁和后梁中的其中一个所述第一腹板上的第一缘条向另一个所述第一腹板的一侧凸出；
所述第一斜拉管连接两个所述凸耳部，沿所述第一腹板长度方向上相邻的且位于不同的所述侧边部上的两个所述凸耳部之间均设有所述第一斜拉管。
可选的，所述第一腹板和第一缘条为碳纤维复合材料层压板，所述第一斜拉管为碳纤维圆管，所述第一斜拉管铺放在第一缘条和第一腹板的所有铺层中间，铺贴完成后进热压罐固化形成前梁或后梁。
可选的，所述第一缘条远离第一腹板的一侧上设有翻边结构，所述第一腹板上的两个所述翻边结构沿平行于第一腹板的方向向相互靠近的一侧延伸。
可选的，所述前肋和后肋均为圆管桁架式结构。
可选的，翼段结构还包括前缘蒙皮，所述前缘蒙皮包裹所有前肋远离前梁的一侧，所述前缘蒙皮上设有沿前梁的长度方向分布的若干间隙，所述前缘蒙皮沿前梁长度方向延伸的边缘的内侧面上设有桁条；
翼段结构还包括后缘，所述后缘包裹所有后肋远离后梁的一侧。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
本申请中斜拉杆连接前梁和后梁，形成机翼主承力结构。传统机翼结构主要靠前梁、后梁的第一腹板和蒙皮形成的闭室来承受机翼扭矩，太阳能飞机为减轻结构重量，蒙皮多采用薄膜蒙皮，上翼面和蒙皮共形铺贴的柔性太阳能电池也无法承受大的面内剪切载荷。本申请中斜拉杆、前梁和后梁组成的桁架式双梁结构，可以有效提高机翼的扭转刚度，承受机翼主要的扭矩。
前梁和后梁为圆管桁架式C型梁，结合了C型梁和圆管桁架梁的特点，第一缘条和第一腹板为碳纤维层压板结构，第一腹板的镂空部形成大面积减重孔，通过碳纤维第一斜拉管的轴向拉压代替第一腹板承受主要的剪力。前梁和后梁均采用共固化成型方案，结合了C型梁结构简单和桁架梁重量轻的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1为本申请太阳能无人机翼段结构的立体结构示意图；
图2为本申请翼段结构的侧视图；
图3为本申请前缘蒙皮的结构示意图；
图4为本申请后缘的结构示意图；
图5为本申请前梁和后梁的截面结构示意图；
图6为本申请前梁和后梁的立体结构示意图；
图7为本申请斜拉杆和第一缘条连接的结构示意图；
图8为本申请前肋的结构示意图。
附图标记说明：1、前梁；11、第一腹板；111、侧边部；112、凸耳部；113、连接部；114、镂空部；12、第一缘条；13、第一斜拉管；14、翻边结构；2、后梁；3、前肋；4、中肋；41、上肋条；42、下肋条；43、冒型筋结构；5、后肋；51、第二腹板；52、第二缘条；53、第二斜拉管；6、斜拉杆；7、前缘蒙皮；71、间隙；72、桁条；8、后缘。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图示中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供一种太阳能无人机翼段结构。
如图1和图2所示，一种太阳能无人机翼段结构，适用于展弦比范围为20-30的机翼，所述翼段结构包括翼梁和翼肋，所述翼梁包括从无人机机翼的前侧至后侧依次分布的前梁1和后梁2，所述翼肋包括从无人机机翼的前侧至后侧依次分布的多排前肋3、多排中肋4和多排后肋5，所述中肋4位于前梁1和后梁2之间，所述前肋3位于前梁1背对后梁2的一侧，所述后肋5位于所述后梁2背对前梁1的一侧，在所述前梁1和后梁2之间贴近机翼的上翼面和下翼面的区域均设有若干个斜拉杆6，所述斜拉杆6的两端分别连接前梁1和后梁2，所述斜拉杆6沿所贴近的翼面延伸，且所述斜拉杆6和翼肋交叉设置。所述中肋4包括上肋条41和下肋条42，所述上肋条41的两端分别连接靠近上翼面的前梁1和后梁2，所述下肋条42的两端分别连接靠近下翼面的前梁1和后梁2，上肋条41和下肋条42均采用泡沫夹芯结构型式，可以为机翼外表面铺贴的薄膜蒙皮或柔性太阳能电池提供结构支撑，保证外表面有较好的气动外形。泡沫选用50Kg/m3的PMI泡沫，外表面包裹T700织物。
如图3所示，在一个实施例中，翼段结构还包括前缘蒙皮7，所述前缘蒙皮7包裹所有前肋3远离前梁1的一侧，所述前缘蒙皮7上设有沿前梁1的长度方向分布的若干间隙71，所述前缘蒙皮7沿前梁1长度方向延伸的边缘的内侧面上设有桁条72。前缘蒙皮7为复合材料层压板结构，铺层只有两层，主要起气动维形作用。前缘蒙皮7的气动外形对机翼升阻特性的影响较大，在飞行过程中，机翼结构受载产生变形，为防止前缘蒙皮7参与承力失稳，影响前缘气动外形，导致机翼升阻特性变差，前缘蒙皮7每隔两个或三个前肋3，在和前肋3的粘接处旁边预留5mm间隙71，间隙71的设计可以为前缘蒙皮7提供变形空间，保证前缘蒙皮7的气动外形。在前缘蒙皮7内表面粘贴的桁条72可以提高蒙皮刚度，桁条72为帽形泡沫夹芯结构。
如图4所示，在一个实施例中，翼段结构还包括后缘8，所述后缘8包裹所有后肋5远离后梁2的一侧。后缘8采用泡沫夹芯结构型式，泡沫选用50Kg/m3的PMI泡沫，外表面包裹T700织物，后缘8截面形状为C形。
本申请中斜拉杆6连接前梁1和后梁2，形成机翼主承力结构。传统机翼结构主要靠前梁1、后梁2的第一腹板11和蒙皮形成的闭室来承受机翼扭矩，太阳能飞机为减轻结构重量，蒙皮多采用薄膜蒙皮，上翼面和蒙皮共形铺贴的柔性太阳能电池也无法承受大的面内剪切载荷。本申请中斜拉杆6、前梁1和后梁2组成的桁架式双梁结构，可以有效提高机翼的扭转刚度，承受机翼主要的扭矩。
前梁1、后梁2和斜拉杆6具体的设计如下：
如图5和图6所示，所述前梁1和后梁2均包括第一腹板11、第一缘条12和第一斜拉管13。
所述第一腹板11包括实体部和镂空部114，所述实体部包括分别对应上翼面和下翼面的侧边部111、连接两个所述侧边部111的若干个连接部113以及设置在所述侧边部111上的若干个凸耳部112，所述侧边部111、连接部113和凸耳部112之间的空间作为所述镂空部114，其中一个所述侧边部111上的所述凸耳部112位于所述连接部113和侧边部111的连接位置，另一个所述侧边部111上的所述凸耳部112位于两个连接部113之间；所述侧边部111上均设有所述第一缘条12，所述前梁1和后梁2中的其中一个所述第一腹板11上的第一缘条12向另一个所述第一腹板11的一侧凸出；所述第一斜拉管13连接两个所述凸耳部112，沿所述第一腹板11长度方向上相邻的且位于不同的所述侧边部111上的两个所述凸耳部112之间均设有所述第一斜拉管13。第一斜拉管13为内径30mm的碳纤维圆管，也可以为矩形或椭圆形截面的碳纤维管。前梁1或后梁2成型时，将预先成型好的第一斜拉管13铺放在第一缘条12和第一腹板11所有铺层中间，铺贴完成后进热压罐固化。
前梁1和后梁2为圆管桁架式C型梁，结合了C型梁和圆管桁架梁的特点，第一缘条12和第一腹板11为碳纤维复合材料层压板结构，第一腹板11的镂空部114形成大面积减重孔，通过碳纤维第一斜拉管13的轴向拉压代替第一腹板11承受主要的剪力。前梁1和后梁2均采用共固化成型方案，结合了C型梁结构简单和桁架梁重量轻的优点。
所述第一缘条12远离第一腹板11的一侧上设有翻边结构14，所述第一腹板11上的两个所述翻边结构14沿平行于第一腹板11的方向向相互靠近的一侧延伸。翻边结构14的延伸长度为10mm，翻边结构14的铺层与第一缘条12的铺层一致，翻边结构14增加了第一缘条12的截面积，可有效提高第一缘条12的抗失稳能力。
如图1所示，相邻两个上肋条41之间和相邻两个下肋条42之间均设有所述斜拉杆6，相邻两个所述上肋条41、前梁1和后梁2围成上框型结构，相邻两个所述下肋条42、前梁1和后梁2围成下框型结构，靠近上翼面的所述斜拉杆6的两端分别连接所述上框型结构的对角，靠近下翼面的所述斜拉杆6的两端分别连接所述下框型结构的对角。
所述斜拉杆6包括主体部和缠绕在所述主体部外周的T700碳纤维单向带，所述主体部的材质为50Kg/m3的PMI泡沫，泡沫截面为20mm×15mm的矩形截面，外表面缠绕T700碳纤维单向带，单向带的具体层数根据承载大小来确定。如图7所示，所述斜拉杆6的端部侧壁抵接所述前梁1和后梁2的外侧面，所述斜拉杆6的两端的端部分别粘接在前梁1和后梁2上，为增加粘接面积和粘结强度，所述斜拉杆6的两端设有冒型筋结构43，所述冒型筋结构43覆盖且粘接在斜拉杆6的端部侧壁以及前梁1和后梁2上。冒型筋结构43通过在斜拉杆6外表面常温湿法铺贴两层T300织物形成。
靠近上翼面的所述斜拉杆6相互平行，靠近下翼面的所述斜拉杆6相互平行，靠近上翼面的所述斜拉杆6和靠近下翼面的所述斜拉杆6交叉设置。
如图1和图8所示，所述前肋3和后肋5均为圆管桁架式结构。前肋3和后肋5均包括第二腹板51、第二缘条52和第二斜拉管53，第二缘条52为碳纤维复合材料层压板结构，第二腹板51为泡沫夹芯结构，泡沫选用50Kg/m3的PMI泡沫，第二斜拉管53铺放在第二腹板51的泡沫中和第二缘条52、第二腹板51共固化成型。第二斜拉管53选用内径10mm的碳纤维圆管，也可以为矩形或椭圆形等截面型式的碳纤维管。
各部件成型后，在装配型架上常温胶接固化。在本实施例中，推荐按如下步骤装配零件：
前梁1和后梁2先摆放在装配型架对应位置处，胶接面打磨；
在前梁1和后梁2缘条上下表面粘接斜拉杆6和中肋4，待胶固化后先给上翼面的斜拉杆6湿法粘贴冒型筋结构43；
粘接前梁1之前的前肋3、后梁2之后的后肋5和后缘8；
粘接前缘蒙皮7和桁条72；
所有部件装配完成后，将机翼部段下架并翻转，为下翼面的斜拉杆6湿法粘贴冒型筋结构43；
在上翼面铺贴柔性太阳能电池；
在外表面铺贴薄膜蒙皮，蒙皮材料为聚酯复合膜。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种太阳能无人机翼段结构，翼段结构包括翼梁和翼肋，其特征在于，所述翼梁包括从无人机机翼的前侧至后侧依次分布的前梁(1)和后梁(2)，所述翼肋包括多排前肋(3)、多排中肋(4)和多排后肋(5)，所述中肋(4)位于前梁(1)和后梁(2)之间，所述前肋(3)位于前梁(1)背对后梁(2)的一侧，所述后肋(5)位于所述后梁(2)背对前梁(1)的一侧，在所述前梁(1)和后梁(2)之间贴近机翼的上翼面和下翼面的区域均设有若干个斜拉杆(6)，所述斜拉杆(6)的两端分别连接前梁(1)和后梁(2)，所述斜拉杆(6)沿所贴近的翼面延伸，且所述斜拉杆(6)和翼肋交叉设置。
2.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述中肋(4)包括上肋条(41)和下肋条(42)，所述上肋条(41)的两端分别连接靠近上翼面的前梁(1)和后梁(2)，所述下肋条(42)的两端分别连接靠近下翼面的前梁(1)和后梁(2)，相邻两个所述上肋条(41)之间和相邻两个所述下肋条(42)之间均设有所述斜拉杆(6)，相邻两个所述上肋条(41)、前梁(1)和后梁(2)围成上框型结构，相邻两个所述下肋条(42)、前梁(1)和后梁(2)围成下框型结构，靠近上翼面的所述斜拉杆(6)的两端分别连接所述上框型结构的对角，靠近下翼面的所述斜拉杆(6)的两端分别连接所述下框型结构的对角。
3.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，靠近上翼面的所述斜拉杆(6)相互平行，靠近下翼面的所述斜拉杆(6)相互平行，靠近上翼面的所述斜拉杆(6)和靠近下翼面的所述斜拉杆(6)交叉设置。
4.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述斜拉杆(6)的端部侧壁抵接所述前梁(1)和后梁(2)的外侧面，所述斜拉杆(6)的两端的端部分别粘接在前梁(1)和后梁(2)上，所述斜拉杆(6)的两端设有冒型筋结构(43)，所述冒型筋结构(43)覆盖且粘接在斜拉杆(6)的端部侧壁以及前梁(1)和后梁(2)上。
5.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述斜拉杆(6)包括主体部和缠绕在所述主体部外周的碳纤维单向带，所述主体部的材质为50Kg/m3的PMI泡沫。
6.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述前梁(1)和后梁(2)均包括第一腹板(11)、第一缘条(12)和第一斜拉管(13)；
所述第一腹板(11)包括实体部和镂空部(114)，所述实体部包括分别对应上翼面和下翼面的侧边部(111)、连接两个所述侧边部(111)的若干个连接部(113)以及设置在所述侧边部(111)上的若干个凸耳部(112)，所述侧边部(111)、连接部(113)和凸耳部(112)之间的空间作为所述镂空部(114)，其中一个所述侧边部(111)上的所述凸耳部(112)位于所述连接部(113)和侧边部(111)的连接位置，另一个所述侧边部(111)上的所述凸耳部(112)位于两个连接部(113)之间；
所述侧边部(111)上均设有所述第一缘条(12)，所述前梁(1)和后梁(2)中的其中一个所述第一腹板(11)上的第一缘条(12)向另一个所述第一腹板(11)的一侧凸出；
所述第一斜拉管(13)连接两个所述凸耳部(112)，沿所述第一腹板(11)长度方向上相邻的且位于不同的所述侧边部(111)上的两个所述凸耳部(112)之间均设有所述第一斜拉管(13)。
7.根据权利要求6所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述第一腹板(11)和第一缘条(12)为碳纤维复合材料层压板，所述第一斜拉管(13)为碳纤维圆管，所述第一斜拉管(13)铺放在第一缘条(12)和第一腹板(11)的所有铺层中间，铺贴完成后进热压罐固化形成前梁(1)或后梁(2)。
8.根据权利要求6所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述第一缘条(12)远离第一腹板(11)的一侧上设有翻边结构(14)，所述第一腹板(11)上的两个所述翻边结构(14)沿平行于第一腹板(11)的方向向相互靠近的一侧延伸。
9.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，所述前肋(3)和后肋(5)均为圆管桁架式结构。
10.根据权利要求1所述的太阳能无人机翼段结构，其特征在于，翼段结构还包括前缘蒙皮(7)，所述前缘蒙皮(7)包裹所有前肋(3)远离前梁(1)的一侧，所述前缘蒙皮(7)上设有沿前梁(1)的长度方向分布的若干间隙(71)，所述前缘蒙皮(7)沿前梁(1)长度方向延伸的边缘的内侧面上设有桁条(72)；
翼段结构还包括后缘(8)，所述后缘(8)包裹所有后肋(5)远离后梁(2)的一侧。
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|---|---|---|---|---|
| CN117775267A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 中国科学院工程热物理研究所 | 用于太阳能飞机的复合材料桁架式翼肋及制备方法 |
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