CN208325652U - 适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机，该适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱包括：沿无人机的机首至机尾方向依次设置的：头部油箱、中部油箱以及尾部油箱；头部油箱、中部油箱和尾部油箱依次串联，且头部油箱上设置有增压管，尾部油箱上设置有供油管，无人机飞行时，供油管供油，并通过增压口向头部油箱增压，实现油箱组串联耗油。本实用新型提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机利用油箱组的串联耗油策略，并根据任务剖面优化各个子油箱的容积，从而适当降低超音速飞行的超高静稳定度，达到减小配平阻力，提高无人机飞行性能的目的。

Description

适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机

技术领域

本实用新型涉及航空飞行器技术领域，尤其涉及一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机。

背景技术

超音速无人机在超音速飞行时，无人机的激波阻力是全机阻力的主要组成部分，且此时全机阻力远大于亚音速飞行的阻力，因而减小激波阻力是超音速无人机气动外形设计的目标之一。减小激波阻力的有效途径之一就是减小全机等效旋成体的最大截面积，因而超音速无人机的机体呈现较大的长细比，一般在12以上。由于超音速无人机多数采用轴流式发动机，如涡喷或涡扇发动机，因此，机体内燃油箱的位置会处于全机重心之前，因而无人机在飞行过程中，从满油状态到空油状态会出现重心后移的现象。超音速无人机在整个任务剖面中会经历亚音速-超音速-亚音速的过程，而亚音速和超音速状态无人机的焦点变化较大，一般会达到30％MAC以上。由满油到空油状态的重心后移现象有利于超音速飞行的配平，但对于静稳定的无人机，空油的重心后限仍处于亚音速焦点之前，因此，超音速飞行时，全机的静稳定度仍大于30％，配平阻力的增大不利于发挥超音速飞行性能。

由于超音速飞行的燃油需求较大，因而超音速无人机的燃油箱占机身内容积的比例较大，因而燃油箱也呈现较大的长细比。为了减小耗油过程中机身姿态角对全机重心的影响，油箱会被切割成数个小油箱，传统油箱会采用均匀耗油的办法，也就是同时消耗各个子油箱的燃油；另一种方案是把重心附近的油箱作为消耗油箱，利用燃油管理系统控制燃油的消耗顺序，可适当降低飞行过程中的配平阻力。

然而在实现本实用新型的过程中，本申请发明人发现，均匀耗油方法在耗油过程中全机的重心会线性后移至空油重心，因此这种方案在超音速时静稳定度较大，不利于发挥超音速飞行性能；利用燃油管理系统控制耗油过程的方法，燃油管理系统硬件和传感器数量多，控制策略相对复杂、制造成本高、重量大，因此采用上述两种方法均无法满足无人机的使用要求。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本实用新型提供一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机，以缓解现有技术中均匀耗油方法在超音速时静稳定度较大，不利于发挥超音速飞行性能；燃油管理系统控制耗油过程的方法，控制策略相对复杂、制造成本高、重量大的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，包括：沿无人机的机首至机尾方向依次设置的：

头部油箱，其上设置有增压管；

中部油箱，与所述头部油箱连通；以及

尾部油箱，与所述中部油箱连通，该尾部油箱上设置有供油管，且所述尾部油箱的容积满足下式：

其中，V_尾为所述尾部油箱的容积，W₂为超音速飞行时无人机的总重量，W₁为空油状态下无人机的总重量；无人机飞行时，供油管供油，并通过增压口向头部油箱增压，实现油箱组串联耗油。

在本实用新型的一些实施例中，所述中部油箱包括N个，N个所述中部油箱串联设置，且首尾分别与所述头部油箱和所述尾部油箱连通，其中N≥1。

在本实用新型的一些实施例中，所述尾部油箱设置有加油口，包括：重力加油口，设置在所述尾部油箱的顶部；以及压力加油口，设置在所述尾部油箱的底部。

在本实用新型的一些实施例中，所述压力加油口设置在所述供油管的支路上，且该支路上设置有单向阀。

在本实用新型的一些实施例中，还包括：回油管，设置在所述供油管的支路上，其将供油管中的燃油输送回头部油箱中；其中，所述回油管上设置有泄压阀，其在所述供油管内压力达到设定值时开启。

在本实用新型的一些实施例中，所述供油管上设置有油泵，其将所述尾部油箱内的燃油抽出。

在本实用新型的一些实施例中，所述尾部油箱内设置有油位传感器，其监测所述尾部油箱内的油位。

在本实用新型的一些实施例中，所述油位传感器在所述头部油箱和所述中部油箱内的燃油耗尽后监测所述尾部油箱内的油位。

在本实用新型的一些实施例中，所述头部油箱、所述中部油箱和所述尾部油箱的底部均设置有放油口。

根据本实用新型的另一个方面，还提供一种超音速无人机，该无人机机体内设置有本实用新型提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)利用油箱组的串联耗油策略，并根据任务剖面优化各个子油箱的容积，从而适当降低超音速飞行的超高静稳定度，达到减小配平阻力，提高无人机飞行性能的目的；

(2)本实用新型提供的串联耗油策略有效兼顾了传统均匀耗油油箱和燃油控制系统油箱的优点，即具有系统组成简单、可靠性高、制造成本低和重量轻等优点；

(3)通过设置回油管以及泄压阀，当供油管的油压大于规定值后，泄压阀开启，燃油经回油管回到头部油箱，达到控制供油管压力的目的；

(4)通过设置油量传感器，能够便于飞行员控制飞行时间，规划飞行任务，保证足够的燃油返航。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的无人机的立体剖视示意图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

10-头部油箱；

11-增压管；

20-中部油箱；

30-尾部油箱；

31-供油管；

32-重力加油口；

33-压力加油口；

34-单向阀；

35-油泵；

36-油位传感器

40-回油管；

41-泄压阀；

50-放油口。

具体实施方式

本实用新型实施例提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机利用油箱组的串联耗油策略，并根据任务剖面优化各个子油箱的容积，从而适当降低超音速飞行的超高静稳定度，达到减小配平阻力，提高无人机飞行性能的目的。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱的结构示意图。

根据本实用新型的一个方面，提供一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，如图1所示，沿无人机的机首至机尾方向依次设置有：头部油箱10，其上设置有增压管11；中部油箱20，与头部油箱10连通；以及尾部油箱30，与中部油箱20连通，该尾部油箱30上设置有供油管31，且尾部油箱30的容积满足下式：

其中，V_尾为尾部油箱30的容积，W₂为超音速飞行时无人机的总重量，W₁为空油状态下无人机的总重量，无人机飞行时，供油管31供油，并通过增压管11向头部油箱10增压，使燃油依次沿头部油箱10、中部油箱20和尾部油箱30排空，实现油箱组串联耗油的耗油策略。

设计优化后，超音速飞行时的重心满足下式：

其中，

W₀为超音速无人机的满油总重(单位：kg)，CG₀为满油状态下的纵向重心位置(单位：m，参考原点为机头前缘点，向后为正轴方向)，W₁为空油总重(单位：kg)，CG₁为空油状态下的纵向重心位置(单位：m)，AC₀为亚音速飞行时焦点位置(单位：m)，AC₁为超音速飞行时焦点位置(单位：m)，W₂为超音速飞行时无人机总重(单位：kg)，MAC为无人机的平均气动弦长(单位：m)，LD为油箱的长细比(长度/最大截面积等效圆直径)，假设空油状态处于亚音速飞行的静稳定极限状态，即静稳定裕度为零，AC₀＝CG₁。

同时根据任务剖面优化各个子油箱的容积，从而适当降低超音速飞行的超高静稳定度，达到减小配平阻力，提高无人机飞行性能的目的；在此基础上，串联耗油策略有效兼顾了传统均匀耗油油箱和燃油控制系统油箱的优点，即具有系统组成简单、可靠性高、制造成本低和重量轻等优点。

头部油箱10和中部油箱20的划分可根据超音速飞行前的任务剖面进行划分，但不会影响超音速飞行的静稳定度。

在本实用新型的一些实施例中，中部油箱20包括N个，N个中部油箱20串联设置，且首尾分别与头部油箱10和尾部油箱30连通，其中N≥1，实际应用中，可根据实际情况，设计合理的燃油总容量，并设计合理的油箱数量。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，尾部油箱设置有加油口，包括：重力加油口32，设置在尾部油箱30的顶部；以及压力加油口33，设置在尾部油箱30的底部，实际应用时，可通过重力加油口32或压力加油口33向油箱组中加入燃油，加油顺序为尾部油箱30、中部油箱20、头部油箱10，加油后需密封重力加油口32。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，压力加油口33设置在供油管31的支路上，且该支路上设置有单向阀34，通过设置单向阀34，在通过压力加油口33向尾部油箱30内加油的过程中，燃油不会从压力加油口中漏出，使加油过程更便捷。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，还包括：回油管40，设置在供油管31的支路上，其将供油管31中的燃油输送回头部油箱10中；其中，回油管40上设置有泄压阀41，其在供油管31内压力达到设定值时开启，当供油管31的油压大于规定值后，泄压阀41开启，燃油经回油管40回到头部油箱10，达到控制供油管31压力的目的，从而避免供油管31中的压力过大，造成供油管31破裂等情况。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，供油管31上设置有油泵35，其将尾部油箱30内的燃油抽出，提高供油效率。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，尾部油箱30内设置有油位传感器36，其监测尾部油箱36内的油位，通过设置油量传感器36，能够便于飞行员控制飞行时间，规划飞行任务，保证足够的燃油返航。

在本实用新型的一些实施例中，油位传感器36在头部油箱10和中部油箱20内的燃油耗尽后监测尾部油箱30内的油位。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，头部油箱10、中部油箱20和尾部油箱30的底部均设置有放油口50，从而便于在无人机任务执行完毕返航后，排空油箱组内的燃油，对油箱组内部进行清洁。

图2为本实用新型实施例提供的无人机的立体剖视示意图。

根据本实用新型的另一个方面，还提供一种超音速无人机，如图2所示，该无人机机体内设置有本实用新型实施例提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱。

以下利用一具体实施例验证本实用新型实施例提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机的有益效果。

假设某配备加力型涡喷发动机的小型超音速无人机的满油总重W₀＝250kg，满油状态下的纵向重心CG₀＝2.69m，空油总重W₁＝182kg，空油状态下的纵向重心CG₁＝2.78m，亚音速飞行时焦点纵向位置AC₀＝2.78m，超音速飞行时焦点纵向位置AC₁＝2.99m；超音速飞行时无人机总重为W₂＝206kg，平均气动弦长MAC＝0.68m，油箱的长细比LD＝5，航空煤油的密度为800kg/m3，无人机油箱的总容积为V₀＝0.085m³，假设油箱分为三个子油箱(即中部油箱的数量为1)。

采用本实用新型实施例提供适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱时，依据公式将尾部油箱30的容积设定为V_尾＝30L，则超音速飞行时，全机的重心CG₂＝2.794m，静稳定裕度

对于采用传统均匀耗油的油箱，在无人机总重为W₂时，重心位置为CG₂＝2.753m，静稳定裕度

通过对比可以看出，采用本实用新型实施例提供适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱在超音速飞行时静稳定度能将较大的静稳定度减小6％左右。两种方案在满油和空油状态的重心位置相同。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型提供的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱及无人机利用油箱组的串联耗油策略，并根据任务剖面优化各个子油箱的容积，从而适当降低超音速飞行的超高静稳定度，达到减小配平阻力，提高无人机飞行性能的目的。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面实用新型的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，包括：沿无人机的机首至机尾方向依次设置的：

头部油箱，其上设置有增压管；

中部油箱，与所述头部油箱连通；以及

尾部油箱，与所述中部油箱连通，该尾部油箱上设置有供油管，且所述尾部油箱的容积满足下式：

其中，V_尾为所述尾部油箱的容积，W₂为超音速飞行时无人机的总重量，W₁为空油状态下无人机的总重量；

无人机飞行时，供油管供油，并通过增压口向头部油箱增压，实现油箱组串联耗油。

2.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述中部油箱包括N个，N个所述中部油箱串联设置，且首尾分别与所述头部油箱和所述尾部油箱连通，其中N≥1。

3.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述尾部油箱设置有加油口，包括：

重力加油口，设置在所述尾部油箱的顶部；以及

压力加油口，设置在所述尾部油箱的底部。

4.根据权利要求3所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述压力加油口设置在所述供油管的支路上，且该支路上设置有单向阀。

5.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，还包括：

回油管，设置在所述供油管的支路上，其将供油管中的燃油输送回头部油箱中；

其中，所述回油管上设置有泄压阀，其在所述供油管内压力达到设定值时开启。

6.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述供油管上设置有油泵，其将所述尾部油箱内的燃油抽出。

7.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述尾部油箱内设置有油位传感器，其监测所述尾部油箱内的油位。

8.根据权利要求7所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述油位传感器在所述头部油箱和所述中部油箱内的燃油耗尽后监测所述尾部油箱内的油位。

9.根据权利要求1所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱，所述头部油箱、所述中部油箱和所述尾部油箱的底部均设置有放油口。

10.一种超音速无人机，该无人机机体内设置有如上述权利要求1至9中任一项所述的适用于超音速无人机的无控式策略耗油油箱。